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地球经历了一段全球冰封时期,这可能提供了足够的氧气来帮助早期海洋动物生存下来

2020-02-27 13:48

T+- (原标题:How did animals survive 'Snowball Earth'?) 作者 | 小小出品 | 网易科技《知否》栏目组(公众号:tech_163)图1:艺术家们渲染的“雪球地球”在距今大约7.2亿到6.35亿年前,地球曾进入“低温时期”。那时我们经历了历史上最极端的冰河时期,几乎整个地球都处于“冰冻状态”,因此当时的地球也被称为“雪球地球”。然而令人震惊的是,也正是在这个时候,复杂动物的最初迹象出现在化石记录中,这些生物为延续至今的动物黄金时代到来奠定了基础。那么,在“雪球地球”如此严酷的环境中,为何生命不仅继续繁衍下来,而且似乎还有日益繁荣的倾向?图2:现在的冰原只覆盖了格陵兰和南极洲部分地区,但在低温时期,它们覆盖了地球表面的大片区域地球表面在低温时期几乎完全冻结,巨大的冰原延伸到热带地区,地表平均温度可能在零摄氏度左右,有时可能会降到零下50摄氏度。与此同时,火山活动也十分频繁,短暂的热量喷发会将这些冰冻表面隔开。那时的地球可以说处于疯狂时期,在冰和火的极端之间反复拉锯。但这也是非常重要的时期,因为低温时期显然帮助点燃了复杂动物诞生的曙光,包括人类的祖先。图3:寒武纪的生命大爆发是地球历史上的巨大转折点,这要归功于进化的繁荣,产生了越来越大、结构复杂的动物事实上,地球上的生命在低温时期到来之前就诞生了,但当时主要是单细胞微生物。即使多细胞动物也出现了,但它们依然是简单的、通常处于静止状态的生物,平静地过滤海水或在“微生物垫”上进食。这些早期动物还没有眼睛、腿、下巴或爪子这样的器官,在缺少捕食者的世界里,它们并不真的需要这些东西。然而,这种情况很快发生了改变,这要归因于寒武纪的生命大爆发,生命多样化导致了“动物时代”的到来。这个爆发过程只持续了短短2000万年,但这是地球生命进化的巨大飞跃,诞生了我们今天所知的主要动物群体,包括人类和所有其他脊椎动物的祖先。不过,化石记录表明,复杂动物在寒武纪生命大爆发之前就已经存在,甚至早于地球的低温时期诞生,以至于它们不得不对抗“雪球地球”的恶劣环境。这些先驱包括真核生物,即具有先进细胞结构的生物,可能还包括海绵等原始动物。富含氧气的水域对于许多早期复杂生物来说至关重要,特别是动物,但由于冰层覆盖的海洋中氧气含量有限,科学家们长期以来始终认为这种环境当时并不存在。但这些早期生物的确幸存了下来,因为我们就是它们的后代。为了找出答案,有些科学家提出了真核生物可能通过低温时期的其他方式,例如生活在冰原顶部的融水池中,而不是生活在下面的海洋中。然而,最新研究显示,即使是冰冻的海洋可能也不像我们通常认为的那样,不适合这些古老有机体生存。图4:Venable冰架的边缘伸入来自南极洲两个半岛之间的海洋中研究显示,离海岸较远的海水确实具有极低的氧水平和高水平的溶解铁,这将使那些环境不适合依赖氧气的生命生存。然而,在靠近被冰覆盖的海岸线,海水出人意料地富含氧气。这是“雪球地球”期间富氧海洋环境存在的第一个直接证据,也帮助解释了生物如何在“雪球地球”中幸存下来,并在寒武纪爆发期间快速进化。研究人员解释称:“证据表明,尽管低温时期的大部分海洋由于缺氧而不适合生命生存,但在地面冰盖开始漂浮的地区,存在着关键的含氧融水环境。这是因为,困在冰川冰中的气泡在冰川融化时释放到水中,使水中富含氧气。”冰川是由降雪形成的,雪在积聚的过程中慢慢压缩成冰川冰。雪中保存着气泡,里面包括氧气,这些气泡会被困在冰中。随着时间的推移,这些气泡通过冰层向下移动,最终随着融化的水从冰川底部逃逸出来。在某些地方,这可能提供了足够的氧气来帮助早期海洋动物生存下来。图5:通过研究地球历史的“雪球”状态,科学家们希望更多地了解其他似乎有冰冻海洋存在的世界,如系外行星开普勒-62f事实上,“雪球地球”可能不仅仅是那些生物要克服的困难。有迹象表明,低温时期的特定条件反而有助于为寒武纪生命大爆发。研究人员称:“全球冰冻发生在复杂动物进化之前表明,雪球地球和动物进化之间存在联系。这些苛刻的条件可能会刺激生命向更复杂的形态、多样化方向迈进。”研究人员解释称:“地球被冻结了5000万年。巨大的冰川将整个山脉都夷为平地,从而释放出营养物质。当雪在极端全球变暖事件中融化时,河流将大量的营养物质冲进海洋,为生命爆发创造了条件。以前由细菌统治的海洋现在被更大、更复杂的有机体主导,它们的大量出现为更大、更复杂的物种进化提供了支持。”由此可见,如果没有“雪球地球”,生命可能永远没有进化的机会。只有在这些复杂的环境中,包括人类在内的、日益庞大和复杂的动物才能在地球上茁壮成长。网易科技《知否》栏目,好奇世界,与你一起探索未知。关注网易科技微信号(ID:tech_163),发送“知否”,即可查看所有知否稿件。

艺术家描绘的“雪球地球”。  新浪科技讯 北京时间12月30日消息,据国外媒体报道,随着温室气体排放量不断增加、地球持续升温,全球气候越来越接近远古时期的地球气候。这引发了科学家对地球气候史的关注,尤其是诸如上新世这类比较温暖的时期。科学家认为,我们眼下正在朝上新世时期的气候发展。  与此同时,科学家对其它地质年代也做了进一步研究。尽管处于这些时期的地球与现在截然不同,但也能帮助我们更好地了解地球、甚至人类自身。  成冰纪就是一个这样的例子。它处于约7.2亿年至6.35亿年之前,当时地球正在经历有史以来最极端的冰河时代,整个地球都处于冰封状态,因此被称作“雪球地球”。  如今地球上只有南极和格陵兰岛的部分地区常年覆有冰盖。但在成冰纪时期,大部分地表都为冰雪所覆盖。  但不知何故,成冰纪也是化石记录中首次出现复杂动物迹象的年代。这些生物为动物界的“黄金时代”奠定了基础,且这种辉煌一直延续至今。在一项新研究中,研究人员对成冰纪时期的岩石中的化学成分做了分析,希望能了解更多这个陌生世界的信息,如为何当时的动物不仅能够存活、甚至还发展到了新高度。  冰封的地球  在成冰纪期间,几乎整个地球表面都为冰雪所覆盖,巨大的冰盖一直延伸到了热带地区。(不过,当时冰冻的范围仍存在一定争议。)大部分陆地都结合在一起,构成了罗迪尼亚超级大陆。但由于全球各地分布的冰川,几乎整个地表都被冻成了一块坚冰。地表平均温度仅为零上几度,还有一些研究指出,当时的温度应当比这低得多,可能低达零下50摄氏度。  成冰纪期间有过两次大规模冰期,分别叫做斯图特(Sturtian)和马林诺(Marinoan)。两次冰期之间曾有过一段短暂的、较为温暖的时期,一度发生过冰层融化和火山爆发。对地球来说,这是一段疯狂的时期,在冰与火两个极端之间来回切换。但也是一段非常重要的时期,因为它宣告了复杂动物的出现,其中也包括我们的祖先。  问题是,这些动物究竟是如何在“雪球地球”上生存的?这个问题令许多人都感到困惑不已。在这段时期,不仅冰面上的动物难以存活,海洋生物也是如此,因为冰封的海面会严重影响海水吸收氧气的能力。这个看似矛盾的问题困扰了科学家许久。但发表在《美国国家科学院院刊》上的一项新研究终于为我们揭开了答案。  动物大爆发  早在成冰纪很久之前,地球上就已经出现了生命,但主要都是单细胞微生物。即使后来出现了多细胞生物,也都是些极为简单的基本生物,只会从海水中过滤养分、或者以微生物为食。这些早期生物尚未发育出眼睛、腿、下颌或爪子,因为在一个没有天敌的世界里,它们并不需要这些。寒武纪大爆发是地球历史上的一大转折点,期间形成了大量大型复杂生物。  但在寒武纪大爆发之后,情况很快就发生了改变。在不到2000万年的时间里,生物多样性急剧增加,有力推动了动物时代的到来,因此被誉为动物进化史上的“宇宙大爆炸”。不过部分研究指出,所谓的“大爆发”也许其实由一系列小规模“爆发”构成。但无论如何,寒武纪大爆发都是地球生命进化史上的一次重大飞跃。我们如今所知的大部分生物类型都在这一时期出现,包括人类和其它所有脊椎动物的祖先。  但化石记录显示,在寒武纪大爆发开始之前,复杂动物已经有了露头之势。这些也许并不是之后出现的那些新型复杂生物,但显然在寒武纪大爆发之前,地球上就已经存在复杂生物了。并且这些生物似乎是在成冰纪初期出现的,因此不得不熬过地球的“雪球”时期。这些复杂生物的先驱包括真核生物(拥有高级细胞结构的生物统称)、也许还有海绵等原始动物。图为伸入大海的南极Venable冰架。  富含氧气的水对许多早期复杂生物而言都至关重要,对动物来说尤其如此。但由于当时的海洋处于冰封之下、水中氧气有限,科学家一直认为当时不具备这样的环境。但我们知道,这些早期生物的确在“雪球地球”上设法存活了下来(不然也就没有我们这些后代了),因此一些科学家提出了其它假设,试图解释成冰纪时期真核生物的存活方式。例如,真核生物也许生活在冰盖上方的融水池塘中、而非冰盖下面的海水里。  不过此次发表的新研究指出,有些海洋也许并不像我们认为的那样不适宜远古生物存活。  冰川氧泵  此次研究作者们对澳大利亚、纳米比亚和美国加利福尼亚州的铁矿石进行了分析。这些铁矿石均形成于斯图特冰期,被埋藏在一系列不同的冰川环境中,因此可以帮助我们全面地了解当时的海洋情况。  而研究显示,当时远离海岸的海水的确含氧量极低、且含铁量较高,因此不适合动物等需依赖氧气的生物存活。但在冰封的海岸线附近,海水的含氧量却高得惊人。研究人员指出,这是证明“雪球地球”时期存在富氧海洋环境的首个直接证据,或许能解释成冰纪时期的生物是如何存活下来、并在之后的寒武纪大爆发中进一步繁衍兴盛的。  通过研究“雪球地球”和“泥泞地球”,科学家希望能更好地了解可能拥有冰封海洋的地外行星,如开普勒-62f等等。  “该证据显示,尽管被冰封的海洋大部分都因为缺乏氧气而不适宜生命存活,但在陆地上的冰盖与海水接壤处,却有大量富含氧气的融水。”该研究的主要作者、加拿大麦吉尔大学博士后研究员麦克斯韦·莱希特(Maxwell Lechte)在媒体发布会上表示,“这种趋势可以用所谓的‘冰川氧泵’来描述:冰川融化后,原本封存在冰块中的气泡便会随之进入水中,增加水体的含氧量。”  冰川由雪不断堆积、压缩而成,因此雪中所含的气泡也会随之封存在冰层中。随着时间的流逝,这些气泡会在冰层中逐渐向下移动,最终随着冰川底部的融水一同逸散出去。在部分地区,这些气泡提供的氧气也许足以让早期海洋动物在“雪球地球”上存活下来。  冬日乐园  事实上,“雪球地球”对这些早期生物的意义也许不仅是一道难关而已。有迹象显示,成冰纪时期的特定条件也许为寒武纪大爆发奠定了基础。“就在复杂动物开始演化之前,地球经历了一段全球冰封时期,这说明‘雪球地球’和动物进化之间可能有某种联系。”莱希特表示,“成冰纪时期的严酷环境也许起到了刺激作用,迫使生物分化成更多复杂的形式。”  近期开展的另一项研究也得出了这一结论,认为动物的崛起与成冰纪期间发生的全球藻类大爆发有一定联系。而此次藻类爆发又是由斯图特冰期之后的冰层融化激发的。在斯图特与马林诺冰期之间那段较为温暖的时期,大量融水涌入海洋,为海水补充了一些关键成分。  该研究的主要作者、澳大利亚国立大学教授约翰·布洛克斯(Jochen Brocks)解释道:“当时的地球已经被冰冻了5000多万年,巨大的冰川将整座山脉都化作了齑粉。随着全球温度升高、冰雪融化,其中所含的营养物质就被冲入了大海之中。”  而随着高温退去、地球再次进入雪球状态,富含营养物质的冷却海水便为全球海洋藻类大爆发提供了理想的环境。此前由细菌主宰的海洋变成了更大、更复杂的生物的天下,而这些藻类又为更大、更复杂的物种提供了生存进化的“燃料”。假如地球不曾变成“雪球”,我们也许永远都没有机会出现。  “这些体型较大、营养丰富的微生物为复杂生物系统的演化提供了充足的能量,”布洛克斯指出,“而只有在这些复杂环境中,人类等大型复杂动物才能繁衍生息。”(叶子)

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科学家告诉我们,地球已经有45.7亿年的历史了。那么当地球年龄只有今天一半的时候,也就是距今约25亿至20亿年前,地球是什么样的呢?我们的祖先在当时以一种什么样的形态存在呢?

地质学家将地球历史划分为若干个单位,从大到小依次是:宙—代—纪—世—期—时,地球已经历四个宙:冥古宙、太古宙、元古宙和显生宙。距今25亿年前是元古宙的开端,我们今天要讲述的五亿年历史,就处于元古宙的第一个代——古元古代,涉及到三个纪:成铁纪、层侵纪和造山纪

加蓬出土的21亿年前的化石,扫描出多细胞结构

不一样的太阳和月亮

元古宙初期,太阳半径约为今天的90%,太阳光强度也只有今天的85%。从理论上讲,当时地球接收到的光和热大不如今天,这会让气温下降到-50℃左右,足以将整个地球冰冻。若真这样的话,地球就会像今天的火星一样,成为没有生命的不毛之地。

然而,有证据证明当时地球上是一片液态水的海洋,细菌和蓝藻欣欣向荣。拯救这些原始生命的就是今天大家谈之色变的温室效应。当时地球大气中富含甲烷和二氧化碳,它们的存在给地球穿上了一件“大衣”,为生命保暖。

日落景观

月球诞生于45亿年前的一次撞击,她自诞生之日起就在以3.8厘米/年的速度远离地球,她所产生的潮汐摩擦也使地球的自转越来越慢。距今25亿年前,月球距地球约18万千米,只有今天的一半左右。相应地,地球自转一圈也比今天快一倍。

所以,在25亿年前的地球上,太阳看起来比今天小,也暗淡一些。而月亮看起来却大了一倍,海潮远比今天来得猛烈,那时候的一天只有12个小时,而一年却有714天

太空中看地球和月亮

氧化的海洋和大气

早期的地球处在一种缺氧的环境中。大气以惰性的氮气为主,含有丰富的甲烷和二氧化碳等还原性气体。海洋中富含低价的亚铁离子,将海水染成了淡绿色。早期生命以呼吸高价的铁和硫为生。

蓝藻早在35亿年前就出现了,这是地球上第一种产氧生物。蓝藻利用太阳光能,将水和二氧化碳合成有机养料,同时将氧气作为废气释放。蓝藻产生的氧气用了十亿年的时间,将地球的缺氧环境彻底改变。

从25亿至23亿年前,地球步入成铁纪,这是一个赤红的时代,海洋中的亚铁离子在这一时期被氧化成铁离子。铁盐的溶解度比亚铁盐低,于是纷纷从海水中沉淀下去,形成了大片赤红的铁矿石。从那时起,淡绿色的海洋就变得无色透明,直到今天。

成铁纪形成的铁矿石

距今24亿年前,全球海洋的亚铁离子都已经被氧气消耗殆尽,氧气开始在大气和海洋中积累,早期生命得以孕育并赖以生存的还原性环境遭到了破坏。氧气的强氧化性会破坏细胞的生物膜结构和遗传物质核酸,这导致大量厌氧的古菌和细菌灭绝。

这一因氧气积累引发的灾变,在地质史上被称为大氧化事件,又叫氧气危机或氧气灾难,是地球有史以来第一次,可能也是最严重的一次生物灭绝事件。只是由于当时的生物结构过于简单,没有留下多少化石,我们难以量化当时的生物损失有多大。

蓝藻:改造大气的先锋

氧气给生命带来了危机,也带来了机会。有氧代谢的产能效率远比无氧代谢高,而且氧气充满了大气和海洋,不像高价铁和硫只局限于某地。因此,氧气充满大气层,为生物向更高等、更复杂的方向演化,并占领地球表面每一个角落奠定了基础。只有掌握了氧气的生物才能有未来。

冰冻的地球

氧气的积累破坏了大气温室效应,这在早期太阳光较弱的情况下尤为致命。氧气可以把高效的温室气体甲烷转化为不那么高效的二氧化碳,更不幸的是,二氧化碳恰好是光合作用的原料。蓝藻源源不断地吸入二氧化碳,释放出更多氧气。

于是,大氧化事件开启以后,大气中甲烷和二氧化碳浓度下降了几十到上百倍,地球气温下降了70℃,整个地球被冰封。白雪皑皑的地球将更多太阳光反射回太空,形成了“冰室效应”,使地球更冷,地球由此进入第一个也是有史以来最严重的冰河时代——持续3亿年的休伦冰期

冰河时代的“雪球地球”

原始生命在休伦冰期遭受重创。低温使生物酶失去活性,维持生命的各种生化反应被抑制,更严重的是,冰晶会破坏细胞结构,导致机体死亡。

冰比水轻挽救了地球生命。与其他物质温度越低密度越大不同的是,水在4℃时密度最大,冰浮于水面之上。冰层起到保暖作用,不管大气温度多低,水下都保持在4℃左右,基本的生命活动得以维持,从而保存了生命的火种。

距今20.5亿年前,地球告别了层侵纪,进入造山纪。地壳上发生了大规模的造山运动,火山活动恢复活跃。火山将地球内部的大量甲烷和二氧化碳抛入空中,由此引发的温室效应迅速将地球解冻。于是休伦冰期结束,与此同时,生命也开始了从原核生物到真核生物的过渡。

温室效应:瑞士阿尔卑斯山的阿莱奇冰川正在不断后退

生物变革:进化取得重大突破

真核生物的诞生:蓝藻开创了大氧化时代,好氧细菌坐享其成,它们是大氧化事件的赢家。然而笑到最后的,却是大氧化的受害者——古菌域生物。在25亿年前,古菌是地球上占优势的生命形式,它们绝大多数都在大氧化事件中被氧气杀灭了,少数幸存者被驱逐至海底火山口等极端缺氧环境中。

然而,有一小部分古菌不愿意坐以待毙,它们发展出了DNA保护机制,并产生了核膜和染色体结构,从而演化成最早的真核生物。今天在地球上占统治地位的动物、植物、真菌以及人类,都是真核生物,都是这一小部分古菌的后代。而蓝藻和好氧细菌,至今仍然是老样子。可见,没有生存压力,就没有进化动力

距今21亿年前,原始的真核生物吞噬了一种变形菌,出于某些原因,被吞噬的细菌没有被消化,和吞噬者形成了内部共生关系。这种好氧细菌就演变成了真核细胞的有氧呼吸中心和产能机器——线粒体。从此以后,真核生物不仅适应了氧气,还征服了氧气。

显微镜下的绿藻,细胞核清晰可见

有性生殖的出现:原始生命以无性生殖方式繁衍,把遗传物质复制成两份,然后一分为二。无性生殖的生物都是长生不老的,也是一成不变的。所以它们在大氧化事件和休伦冰期中遭到了重创,只有少数种类侥幸凭基因突变活了下来。

有性生殖的繁殖方式与真核生物的诞生是相伴随的。按这种生殖方式,每一代都经过基因重组,每个子代都各不不同,总有一个可以适应新环境。因此,有性生殖的生物在变化的环境中生存下去的几率大大增加了

有性生殖缩短了生命个体的长度,但采用这种方式繁殖,后代才能活得更久。长远来看,有性生殖是生命延续的唯一机会。正因为此,我们今天看到的生物绝大多数都是有性生殖的。

雄孔雀开屏:有性生殖导致性二型现象

向多细胞结构的进化尝试:2008年在加蓬出土的化石中扫描到了多细胞结构,可追溯至21亿年前,这说明真核生物在诞生之初就开始了从单细胞结构向多细胞结构的进化尝试。然而直到6亿年前,后生生物的化石都非常罕见,证明这次进化尝试很快就胎死腹中了。

多细胞结构面临着一个问题,就是体内与环境不直接接触的细胞难以获取氧气。因此在低氧环境下试图演化出后生生物的努力注定失败,其中最著名的一次失败尝试就是距今5.85亿年前的埃迪卡拉生物群,它们试图以扁平的身体占领浅海,结果全军覆没。

埃迪卡拉生物群

直到5.4亿年前,大气中氧含量达到15%,已经步入富氧时代,后生生物才得以蓬勃爆发,这就是寒武纪生物大爆发,地球从此进入绚丽多彩的显生宙。

地质构造的转折

我们知道地球内部是炽热的,时不时爆发的火山和地震就是明证。然而地球本身不产热,她的热来自太阳系形成之初,终会散发到太空中去。作为一个保温箱,地球很合格,40多亿年了地心都还没凉透。

在地球早期,地核比今天更热、更活跃,当时的岩浆经历极端温度变化,能形成一种熔点高达1600℃、颜色非常灰暗的岩石——科马提岩。这种岩石的密度很大,一旦形成就会向地下沉陷,这就是地质构造的垂直运动。早期地球存在水平构造和垂直构造两种运动形式。

科马提岩:今天的岩石不会再有的模样

距今25亿年前,随着地球渐渐冷却,科马提岩不再有,地质垂直构造也就随之消失了。从那以后,地球就只有水平构造这一种运动形式,岩浆冷却形成的岩石在地壳上堆积,就形成了大陆。

地球的冷却和垂直构造运动的消失,使地壳稳定下来,为此后生物的蓬勃发展提供了一个相对稳定的环境。想想看吧,如果地面在慢慢塌下去,岩浆随时会冒出来,那该有多可怕。

然而,地球冷却带来的问题将在未来严重困扰人类。比如,埋藏于地下的有机碳难以重见天日,导致地球碳循环失衡,大气中二氧化碳将被抽干。再比如,液态的内核凝固,导致地球磁场消失,大气层将被剥离,致命的宇宙射线可直达地面。

​因地球磁场存在形成的极光

结 语

元古宙之初的五亿年,对地球、大气和生命来说都是一个重大转折。从这往前推15亿年,是缺氧的太古宙,是古核生物和原核生物的时代;从这后推15亿年,是贫氧的元古宙,是原生真核生物的时代。

这一时期我们的单细胞祖先经历了重重挫折,最终获得了一个细胞核,成为真核生物。这一时期确定的三大进化方向:有氧、有性和多细胞,我们祖先坚持走了15亿年。到5.4亿年前,地球进入富氧的显生宙,后生动物的时代就来临了,最终有了今天的我们和这个缤纷多彩的世界。

寒武纪生物大爆发

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