“雪球地球”時期的生物如何存活？

葉子

隨著溫室氣體排放量不斷增加、地球持續(xù)升溫，全球氣候越來越接近遠古時期的地球氣候。這引發(fā)了科學家對地球氣候史的關注，尤其是諸如上新世這類比較溫暖的時期?？茖W家認為，我們眼下正在朝上新世時期的氣候發(fā)展。

與此同時，科學家對其它地質年代也做了進一步研究。盡管處于這些時期的地球與現(xiàn)在截然不同，但也能幫助我們更好地了解地球、甚至人類自身。

成冰紀就是一個這樣的例子。它處于約7.2億年至6.35億年之前，當時地球正在經(jīng)歷有史以來最極端的冰河時代，整個地球都處于冰封狀態(tài)，因此被稱作“雪球地球”。

如今地球上只有南極和格陵蘭島的部分地區(qū)常年覆有冰蓋。但在成冰紀時期，大部分地表都為冰雪所覆蓋。

但不知何故，成冰紀也是化石記錄中首次出現(xiàn)復雜動物跡象的年代。這些生物為動物界的“黃金時代”奠定了基礎，且這種輝煌一直延續(xù)至今。在一項新研究中，研究人員對成冰紀時期的巖石中的化學成分做了分析，希望能更了解這個陌生世界的信息，如為何當時的動物不僅能夠存活、甚至還發(fā)展到了新高度。

冰封的地球

在成冰紀期間，幾乎整個地球表面都為冰雪所覆蓋，巨大的冰蓋一直延伸到了熱帶地區(qū)。（范圍存在爭議）大部分陸地都結合在一起，構成了羅迪尼亞超級大陸。但由于全球各地都分布著冰川，幾乎整個地表都被凍成了一塊堅冰。地表平均溫度僅為零上幾度，還有一些研究指出，當時的溫度應當比這低得多，可能低達零下50攝氏度。

成冰紀期間有過兩次大規(guī)模冰期，分別叫做斯圖特和馬林諾。兩次冰期之間曾有過一段短暫的、較為溫暖的時期，一度發(fā)生過冰層融化和火山爆發(fā)。對地球來說，這是一段瘋狂的時期，在冰與火兩個極端之間來回切換。但也是一段非常重要的時期，因為它宣告了復雜動物的出現(xiàn)，其中也包括我們的祖先。

問題是，這些動物究竟是如何在“雪球地球”上生存的？在這段時期，不僅冰面上的動物難以存活，海洋生物也是如此，因為冰封的海面會嚴重影響海水吸收氧氣的能力。發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上的一項新研究終于為我們揭開了答案。

動物大爆發(fā)

早在成冰紀之前很久，地球上就已經(jīng)出現(xiàn)了生命，但主要都是單細胞微生物。即使后來出現(xiàn)了多細胞生物，也都是些極為簡單的基本生物，只會從海水中過濾養(yǎng)分、或者以微生物為食。這些早期生物尚未發(fā)育出眼睛、腿、下頜或爪子，因為在一個沒有天敵的世界里，它們并不需要這些。

但在寒武紀大爆發(fā)之后，情況很快就發(fā)生了改變。在不到2000萬年的時間里，生物多樣性急劇增加，有力推動了動物時代的到來，因此被譽為動物進化史上的“宇宙大爆炸”。不過部分研究指出，其實所謂的“大爆發(fā)”也許由一系列小規(guī)?！氨l(fā)”構成。但無論如何，寒武紀大爆發(fā)都是地球生命進化史上的一次重大飛躍。我們?nèi)缃袼拇蟛糠稚镱愋投荚谶@一時期出現(xiàn)，包括人類和其它所有脊椎動物的祖先。

但化石記錄顯示，在寒武紀大爆發(fā)開始之前，復雜動物已經(jīng)有了露頭之勢。這些也許并不是之后出現(xiàn)的那些新型復雜生物，但顯然在寒武紀大爆發(fā)之前，地球上就已經(jīng)存在復雜生物了。并且這些生物似乎是在成冰紀初期出現(xiàn)的，因此不得不熬過地球的“雪球”時期。這些復雜生物的先驅包括真核生物（擁有高級細胞結構的生物統(tǒng)稱）、也許還有海綿等原始動物。

富含氧氣的水對許多早期復雜生物而言都至關重要，對動物來說尤其如此。但由于當時的海洋處于冰封之下、水中氧氣有限，科學家一直認為當時不具備這樣的環(huán)境。但我們知道，這些早期生物的確在“雪球地球”上設法存活了下來，因此一些科學家提出了其它假設，試圖解釋成冰紀時期真核生物的存活方式。例如，真核生物也許生活在冰蓋上方的融水池塘中、而非冰蓋下面的海水里。

不過新研究指出，有些海洋也許并不像我們認為的那樣不適宜遠古生物存活。

冰川氧泵

此次研究作者們對澳大利亞、納米比亞和美國加利福尼亞州的鐵礦石進行了分析。這些鐵礦石均形成于斯圖特冰期，被埋藏在一系列不同的冰川環(huán)境中，因此可以幫助我們?nèi)娴亓私猱敃r的海洋情況。

而研究顯示，當時遠離海岸的海水的確含氧量極低、且含鐵量較高，因此不適合動物等需依賴氧氣的生物存活。但在冰封的海岸線附近，海水的含氧量卻高得驚人。研究人員指出，這是證明“雪球地球”時期存在富氧海洋環(huán)境的首個直接證據(jù)，或許能解釋成冰紀時期的生物是如何存活下來、并在之后的寒武紀大爆發(fā)中進一步繁衍興盛的。

通過研究“雪球地球”和“泥濘地球”，科學家希望能更好地了解可能擁有冰封海洋的地外行星，如開普勒-62f等。

“該證據(jù)顯示，盡管被冰封的海洋大部分都因為缺乏氧氣而不適宜生命存活，但在陸地上的冰蓋與海水接壤處，卻有大量富含氧氣的融水?！痹撗芯康闹饕髡?、加拿大麥吉爾大學博士后研究員麥克斯韋·萊希特在媒體發(fā)布會上表示，“這種趨勢可以用所謂的‘冰川氧泵來描述：冰川融化后，原本封存在冰塊中的氣泡便會隨之進入水中，增加水體的含氧量?！?/p>

冰川由雪不斷堆積、壓縮而成，因此雪中所含的氣泡也會隨之封存在冰層中。隨著時間的流逝，這些氣泡會在冰層中逐漸向下移動，最終隨著冰川底部的融水一同逸散出去。在部分地區(qū)，這些氣泡提供的氧氣也許足以讓早期海洋動物在“雪球地球”上存活下來。

冬日樂園

事實上，“雪球地球”對這些早期生物的意義也許不僅是一道難關而已。有跡象顯示，成冰紀時期的特定條件也許為寒武紀大爆發(fā)奠定了基礎。“就在復雜動物開始演化之前，地球經(jīng)歷了一段全球冰封時期，這說明‘雪球地球和動物進化之間可能有某種聯(lián)系?！比R希特表示，“成冰紀時期的嚴酷環(huán)境也許起到了刺激作用，迫使生物分化成更多復雜的形式。”

近期開展的另一項研究也得出了這一結論，認為動物的崛起與成冰紀期間發(fā)生的全球藻類大爆發(fā)有一定聯(lián)系。而此次藻類爆發(fā)又是由斯圖特冰期之后的冰層融化激發(fā)的。在斯圖特與馬林諾冰期之間那段較為溫暖的時期，大量融水涌入海洋，為海水補充了一些關鍵成分。

該研究的主要作者、澳大利亞國立大學教授約翰·布洛克斯解釋道：“當時的地球已經(jīng)被冰凍了5000多萬年，巨大的冰川將整座山脈都化作了齏粉。隨著全球溫度升高、冰雪融化，其中所含的營養(yǎng)物質就被沖入了大海之中?！?/p>

而隨著高溫退去、地球再次進入雪球狀態(tài)，富含營養(yǎng)物質的冷卻海水便為全球海洋藻類大爆發(fā)提供了理想的環(huán)境。此前由細菌主宰的海洋變成了更大、更復雜的生物的天下，而這些藻類又為更大、更復雜的物種提供了生存進化的“燃料”。假如地球不曾變成“雪球”，我們也許永遠都沒有機會出現(xiàn)。

“這些體型較大、營養(yǎng)豐富的微生物為復雜生物系統(tǒng)的演化提供了充足的能量，”布洛克斯指出，“而只有在這些復雜環(huán)境中，人類等大型復雜動物才能繁衍生息?！?/p>