“雪球地球”催生地球生命

■旋旋

于2003年從火星上拍攝的一張地球照片顯示：地球就像一個(gè)藍(lán)色的球，懸掛在一片漆黑的永恒虛空中，比它小得多的月亮依伴在側(cè)。一些在學(xué)術(shù)界頗有影響力的地球科學(xué)家稱，如果這張照片拍攝在6億年前，那么我們看到的景象可能會(huì)大不相同。那時(shí)的地球應(yīng)該是一幅黑白圖像，沒(méi)有我們今天熟悉的藍(lán)色海洋和綠色大地，只有一片白茫茫的冰雪覆蓋在黑黝黝的土地上，地球看起來(lái)只是懸浮在太空中的一顆毫無(wú)生命氣息的白色“雪球”。

那就是地球的冰河期，地球上所有地方都像如今的南極洲一樣千里冰封，海岸線上的積冰至少有1000米厚，內(nèi)陸地區(qū)的冰雪層更厚。當(dāng)時(shí)地球氣溫低至－40℃，所有的濕氣都被凍結(jié)在空氣中，只有火山爆發(fā)時(shí)才有云霧產(chǎn)生。除了冰川開裂的聲音以及偶爾的地震轟隆聲和火山爆發(fā)的巨響之外，地球是一片寂靜沉默的世界。

曾經(jīng)是“雪球地球”？

地球曾經(jīng)是一個(gè)“雪球地球”——這個(gè)理論聽起來(lái)很怪異，而且自發(fā)布以來(lái)一直引起學(xué)術(shù)界的激烈爭(zhēng)議，它就像當(dāng)年的進(jìn)化論、宇宙大爆炸理論和大陸漂移說(shuō)，是一個(gè)創(chuàng)新性理論。

2008年9月，也就是“雪球地球”理論發(fā)布10年之后，在墨爾本大學(xué)召開的一個(gè)研討會(huì)上，“雪球地球”理論的支持者指出，這一理論目前已經(jīng)獲得了許多比以前更有力的證據(jù)，正在成為被確認(rèn)的科學(xué)理論。

支持者認(rèn)為，“雪球地球”理論令人振奮，因?yàn)樗梢越忉尯芏鄦?wèn)題，比如為什么在熱帶地區(qū)會(huì)出現(xiàn)冰川沉積物，為什么海洋曾經(jīng)有過(guò)如一潭死水般無(wú)生命活動(dòng)的時(shí)期，為什么在8億～6億年前幾乎所有的地球生命都消失了。而最令人振奮的就是，它有可能解釋了化石記錄中最大的謎團(tuán)之一：為什么大量充分進(jìn)化的多細(xì)胞生物幾乎在一夜之間出現(xiàn)在了地球上。

何以形成“雪球地球”？

目前地球科學(xué)家普遍達(dá)成共識(shí)：地球上的三次冰河期都有可能導(dǎo)致了“雪球地球”。第一次冰河期發(fā)生在22億年前，另外二次發(fā)生在7億年前的新元古代、成冰紀(jì)及6.35億年前的埃拉逖那或馬林諾冰期。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，世界各地的許多冰川活動(dòng)似乎都是在同一個(gè)時(shí)期形成的，那就是7億年前的新元古代后期。科學(xué)家認(rèn)為那時(shí)的地球有可能經(jīng)歷了一次非常大的冰河期，當(dāng)時(shí)冰河可能一直延伸到如今的熱帶地區(qū)。那次冰河期的一個(gè)顯著特征是由冰川事件形成的與眾不同的沉積層——冰河流動(dòng)侵蝕地面，并沿途帶走大量的巖石，因此在冰川流經(jīng)之地都會(huì)留下沖刷的痕跡。冰川作用的另一個(gè)顯著的遺跡是它往往會(huì)產(chǎn)生非常大的巖石，通常被稱為漂石，這些漂石隨著冰川活動(dòng)被帶入海里，最終滾落進(jìn)入海底沉積物中。

在冰川期，覆蓋大地的皚皚白雪提高了地球?qū)﹃?yáng)光的反照率。計(jì)算機(jī)模型結(jié)果顯示，如果地球溫度冷到冰蓋足以覆蓋半個(gè)地球表面，冰川到達(dá)南北緯度30°的地方，正反饋機(jī)制就會(huì)啟動(dòng)。地球就像一個(gè)晶瑩閃耀的雪球，將大量陽(yáng)光反射回太空，而地球自然變得越來(lái)越冷，并很快達(dá)到全球冰封的程度。一旦正反饋開始，只需要幾年甚至更短時(shí)間，地球就會(huì)變成一個(gè)幾乎完全被冰雪覆蓋的星球。

地球如何掙脫冰雪的桎梏？

“雪球地球”的反對(duì)者質(zhì)疑：如果“雪球地球”真的存在過(guò)，那地球又是如何從冰雪的桎梏中掙脫出來(lái)的呢？有計(jì)算表明，如果冰雪覆蓋整個(gè)行星的表面，地表會(huì)將90%的太陽(yáng)光反射回去，而剩下的10%是不足以使冰雪大面積融化的。如此看來(lái)，地球?qū)⒂肋h(yuǎn)都是一個(gè)大“雪球”。20世紀(jì)80年代后期，美國(guó)科學(xué)家喬·凱斯文科試圖回答這個(gè)問(wèn)題（他也是“雪球地球”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的提出者）。他說(shuō)，在“雪球地球”上，雖然地球上的大部分活動(dòng)都停滯了，但地球板塊卻仍然不受影響地在地表之下運(yùn)動(dòng)著，導(dǎo)致火山氣體從地底下噴發(fā)出來(lái)，特別是二氧化碳。在一個(gè)沒(méi)有雨水、沒(méi)有任何植物、完全被冰雪覆蓋的地球上，沒(méi)有任何東西能夠吸收這些噴涌而出的火山氣體。經(jīng)過(guò)數(shù)千萬(wàn)年的累積，大氣中的二氧化碳的濃度越來(lái)越高，最終達(dá)到今天地球大氣二氧化碳濃度的數(shù)百倍，并引發(fā)強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)，“雪球地球”由此解凍。

“雪球地球”理論聽起來(lái)如此怪異，引起了許多激烈的反對(duì)意見，直到一位叫霍夫曼的地質(zhì)學(xué)家在熱帶地區(qū)找到了冰河移動(dòng)留下的證據(jù)。

霍夫曼曾經(jīng)在非洲南部的納米比亞研究碳酸鹽巖石——溶解的二氧化碳同巖石中的礦物質(zhì)反應(yīng)后會(huì)形成碳酸鹽，溶于水中的碳酸鹽將進(jìn)入海洋并在海底沉積下來(lái)，因此碳酸鹽是較溫暖的熱帶地區(qū)海水留下的痕跡。霍夫曼發(fā)現(xiàn)，大約6億年前，在溫暖水域地區(qū)形成的巖石之間存在著明顯的冰川沉積物。

霍夫曼是在對(duì)碳酸鹽中的碳的來(lái)源進(jìn)行追蹤探查時(shí)發(fā)現(xiàn)這種奇怪現(xiàn)象的。天然的碳以二種同位素出現(xiàn)，一種是碳12，一種是較為罕見的、較重的碳13。植物在吸收維持生命所需的碳的時(shí)候，對(duì)碳12有著明顯的偏好。因此，在有生命的海水中的碳13的含量明顯要高于沒(méi)有生命存在的環(huán)境。簡(jiǎn)言之，根據(jù)碳同位素的濃度可以分析得知當(dāng)時(shí)地球生命活動(dòng)的活躍程度。

霍夫曼對(duì)納米比亞的巖石中的碳同位素濃度進(jìn)行的分析顯示，在冰川期沉積層之上有一層很厚的碳酸鹽巖帽沉積層，這正是大氣中含有大量二氧化碳并溫暖地球的標(biāo)記。

霍夫曼還確認(rèn)了碳酸鹽巖帽的存在與溫室效應(yīng)融化“雪球地球”在理論上相吻合——當(dāng)水循環(huán)重新開始時(shí)，雨水開始溶解和洗滌大氣中的酸性二氧化碳，并對(duì)地面的巖石產(chǎn)生風(fēng)化作用。冰雪融化時(shí)將巖石風(fēng)化分離出來(lái)的碳和礦物質(zhì)一起帶入海洋，在溫暖的海水里沉淀下來(lái)，形成碳酸鹽巖帽。

在一系列起逆轉(zhuǎn)性作用事件的影響下，地球溫度猛然飆升到了40℃～50℃！地球表面的冰雪在不到1000年的時(shí)間里就融化殆盡。

地球生命如何復(fù)蘇？

目前，“雪球地球”理論正在推動(dòng)著對(duì)地球生命起源的研究，促使科學(xué)家產(chǎn)生了許多新的構(gòu)想。

反對(duì)者不相信“雪球地球”真的存在過(guò)，他們提出，如果地球過(guò)去真的那么冷，那將導(dǎo)致地球生命滅絕，但事實(shí)上冰河期的前期或后期都有化石證據(jù)可以證明，生命確實(shí)存在過(guò)。

當(dāng)然，“雪球地球”并不是一個(gè)容易下結(jié)論的理論，因?yàn)槲覀兒茈y確切地了解當(dāng)時(shí)的地球究竟發(fā)生了什么，地質(zhì)活動(dòng)使我們失去了許多證據(jù)。

一直致力于研究6500萬(wàn)年前鳥類起源的澳大利亞古生物學(xué)家帕特麗夏·維克斯·里奇認(rèn)為，新元古代冰川期后期復(fù)雜多細(xì)胞生物的出現(xiàn)可能與三個(gè)因素有關(guān)，或者說(shuō)是這三個(gè)因素的綜合作用。一是大規(guī)模的大陸山脈的侵蝕活動(dòng)使大量的泥土沙石進(jìn)入海洋，導(dǎo)致海水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量增加；二是大量的有機(jī)物質(zhì)被埋在海底，使得大氣中的氧氣逐步積累起來(lái)，這是復(fù)雜生命產(chǎn)生的必要條件；最令她感興趣的是最后一個(gè)因素：冰川融化帶來(lái)的海水淡化。在冰川頻繁活動(dòng)時(shí)期，大量淡水被凍結(jié)成冰，而海洋冰帽下的大量液態(tài)水因含鹽量太高而不適宜海洋生命生存，對(duì)多細(xì)胞生物就更不用說(shuō)了，因此一些海洋生物不得不退居到含鹽度低的地方去“避難”，等到冰雪融化的偉大時(shí)刻到來(lái)時(shí)，它們紛紛奔赴海洋去開辟它們的棲息地并在那里大量繁衍。

不管你是否贊同“雪球地球”的觀點(diǎn)，新元古代冰河期后期的溫室效應(yīng)的巨大力量是一個(gè)很好的前車之鑒，它能夠讓我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和警惕現(xiàn)代氣候變化對(duì)整個(gè)地球產(chǎn)生巨大影響的風(fēng)險(xiǎn)性。這種影響力是真實(shí)的、快速的，事實(shí)上它已經(jīng)對(duì)地球生命演化產(chǎn)生了顯著的影響。

“雪球地球”現(xiàn)象會(huì)再次發(fā)生嗎？科學(xué)家認(rèn)為，不排除在遙遠(yuǎn)的未來(lái)“雪球地球”再次出現(xiàn)的可能性，但那將是幾千萬(wàn)年甚至幾億年之后的事情了。