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地球早期生命环境的演化 (3)
时间：2016-03-17 11:58 文章来源：http://www.lunwenbuluo.com 作者：钱迈平 点击次数：
Kasting认为，如此高的甲烷浓度之所以可能存在，其关键是当时缺乏游离氧。一个甲烷分子飘进今天含20%氧气的大气圈，仅12年就会被氧化殆尽。而大约28亿年前的大气圈中缺乏氧气，根据他和宾夕尼亚大学的LisaBrown计算一个甲烷分子那时可存在2万年之久。甲烷与少许二氧化碳的结合，还可防止那种会冷却地球的甲烷雾形成，进而就可解释:尽管那时的太阳“年幼虚弱”，但借助不断渗出的甲烷形成的保暖毯子，生命自身可以温暖潜在的冰冻世界，使之维持在生命能够繁衍的某一温度范围内。MclKy等人19认为这个论点似乎有道理，但还需作更多的有关大气圈的化学实验。已知，22亿年前的矿物和同位素研究确实暗示微生物在释放甲烷，而且当时的游离氧极其稀少。虽然阿基利亚岛及格陵兰岛38.5亿及38亿年条带状铁质岩（BIES)的存在，说明至少那时海洋光合作用生物已在不断地制造氧气，但它们差不多都被用于氧化海洋中不溶的铜、铁及火山喷出物质，几乎没有进入大气圈。
仍要说明的是，现有的地质数据表明那时的大气圈中氧气浓度上限大约已达0.1%，而按Kasting的说法，实际上要求大气圈没有氧气才能说得通。这一点引起了澳大利亚悉尼大学地质学家JochenJ.Brocks等人1101的质疑:如果甲烷生产者的确温暖了地球，那么其他微生物也可能会因释放氧气而一不留神冷却了地球。澳大利亚昆士兰大学地质学家KennethD.Collerson和BalzS.Kambei1111测试的同位素和矿物数据显示，在大约22亿年前，随着太阳光照的增强及真核生物的出现，那时大气圈中氧气的浓度也许已爆发性的跃升至相当于今天的10%~15%。从22亿~18亿年前，或许是因为火山减缓了喷发，减少了与氧气的化合物产生;或许是海洋中大量繁盛的包括藻类的光合作用蓝细菌在内的浮游疑源类和底栖微生物席及其形成的叠层石礁的产氧量增加:或许是獅前尚不得而知的什么原因，光合作用产生的氧气含量终于跃升到可以施加明显影响的程度。
这样一次氧气跃升可能会迫使那时长期占主导地位的厌氧生物要么去设法适应新的环境，演化成氧呼吸生物;要么就走向灭亡或隐藏到贫氧的海底和湖底淤泥中（也许在那里它们繁衍至今）然而，Kastin；推断，这将产生一个严重后果:氧气将消灭甲烷，瓦解温室，使地球迅速冷却冻结。西澳大利亚大学的古地磁学家DavisEvans等人112也发现，南非的22亿年前的冰川沉积明显形成于当时的赤道附近靠近海平面处，他们由此断定，冰川深入低纬度海平面之际，正是大气中氧气含量暴涨之时。如果低纬度海平面存在冰川，那么地球其他地方也都会冻结，整个海洋也会被一层厚冰层封盖。
此前，美国加州理工学院的JosephL.Kirschvink在1992年就已率先提出全球性大冰期一“雪球”概念。他发现新元古代冰碛物中混杂着富铁沉积物，并解释这是因为长期冰封的全球海洋缺氧（大气中的氧无法溶入冻结的冰面)，使海底火山排出的铁很容易溶解水中并越积越多。一旦解冻，积累在大气中的氧气会大量溶入海水，促使积累在水中的铁大量析出与冰碛物一起沉积。最近，Kischvink又提出新的观点：南非大面积的猛矿沉积也是这种成因。
美国科学院院士，哈佛大学地质古生物学家PaulF.Hoffman等人114通过对非洲纳米比亚新元古代地层剖面的研究认为，距今6亿年前后，地球曾陷入突发性的全球规模持续上千万年的严寒，以及随之而来的几千年酷热多次。因为，一旦地球两极冰盖扩张越过南、北纬30°即冰川面积超过地球表面50%白色的冰雪对太阳辐射的反射率就开始加速增大，产生逃逸反射反馈效应（RunawayAlbedoFeedlack)使地球一发不可收地降温冷却，迅速达成全球表面冻结。此后，逃逸反射反馈效应会继续巩固并维持这种冻结状态，使地球长期处于年均气温一50°C(现代约18°C)的“雪球”状态，足以在洋面形成1km厚冰层。通常只有待火山活动排出的二氧化碳升高到约350倍于今天大气中二氧化碳浓度时，才能以足够强大的温室效应使“雪球”解冻。而一旦解冻进行到超过地球表面50%,相反的反馈效应会使解冻以加速度发展，也许仅几万年就可完成。紧接着就是一场全球大酷热，因为使“雪球”解冻的超高浓度二氧化碳大气足以把地球表面温度提高到年均约50°C。如此极端的气候急剧转换，在距今7.5亿~5.8亿年间也许发生过4次之多。Hoffman等人认为有两个有力的证据可以支持这一论点：（1)几乎所有的新元古代冰川沉积上面都“突然地”覆盖着暖水环境沉积的碳酸盐岩一“盖帽碳酸岩（CapCarbonate)”。（2)碳酸盐岩的〗3C值负异常暗示洋面生物生产量衰萎达数以百万年计之久。
如此全球规模的严寒和酷热剧烈转换，意味着地球生命要经历巨大的磨难。尽管如此，地球生命顽强地存活下来，并在“雪球”之后空前繁盛起来。正如其此前以柔克刚地经受了天体撞击和氧气泛滥等种种考验那样，也许正是这一次次的磨砺，激发了早期地球生命在严酷环境压力下一次次强烈的反应一基因的突变和重组，积累的基因多样性终于引发了约5.8亿年前的新元古代末期埃迪卡拉型动物大幅射（EdiacaranRadiation)115及约5.3亿年前的寒武纪生命大爆发（CambrianExplosion)。
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