“雪球地球”时期的生物是如何存活的？

Daphane

來源: 新浪科技


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。”