「生物」10亿年前的动荡,揭示了一段惊人的历史
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原文标题:10亿年前的动荡,揭示了一段惊人的历史
我们都知道,动物需要氧气才能生存。对如今的地球来说,21% 的大气是氧气,带来了相当宜居的环境。然而,在地球历史的大部分时间中,情况并非如此。
如果我们穿越回过去,前往大约 5 亿年前,可能就需要随身携带一个氧气瓶。但科学家还不太确定大气和海洋中,氧气随时间推移的绝对水平;也不确定是否是氧气水平的上升,促进了动物生命的进化,又或者,两者的关系可能是反过来的。这些问题引发了无数争论,还有数十年的研究。
近日,一组研究团队发现,地球大气中的氧气水平可能在 10 亿年前发生着剧烈波动,从而可能创造了可以加速早期动物的发展和进化的条件。研究已于近日发表在《自然进展》上。
氧气水平变化的三个阶段
科学家目前认为,大气氧气的发展大致可以划分成三个阶段。
首先是大约 24 亿年前的大氧化事件,当时,氧气首次出现在大气中,地球从一个基本无氧的世界,变成了一颗充满氧气的星球。而第三阶段则在约 4.2 亿年前,也被称为古生代氧化事件,大气中的氧气上升到了现代水平。
但科学家仍不确定的是,在这两者之间的第二阶段究竟发生了什么。这段时期被称为新元古代,大约始于 10 亿年前,持续了约 5 亿年,在此期间,地球上出现了早期动物的生命形式。
此后,越来越多的数据似乎指向了一段复杂而迷人的氧气历史。因此,在这项新研究中,科学家想知道,在新元古代,氧气水平的变化有没有什么特别之处,这可能在动物的早期进化中起到了关键作用,而氧气水平是突然上升的,还是缓步增加的?
碳的同位素
为了尝试回答这个问题,一组研究团队测量了浅海采样的石灰岩中发现的不同形式的碳,也就是不同的碳的同位素。
碳有许多天然存在的同位素,也就是原子核中质子数量相同,而中子数量不同的形式,因此,各种同位素的大小和质量略有差异。
研究着重测量了碳 -12和碳 -13,它们都不会发生放射性衰变。简单来说,植物在进行光合作用时更喜欢使用轻的碳 -12,这会让海水和后续在海底形成的岩石中富含碳 -13。
因此,当科学家在数百万年甚至数十亿年之后来分析这些岩石时,就可以根据两者的比率,计算出数亿年前存在的光合作用水平,并推断出大气氧气的水平。
根据计算,他们已经得出了过去 15 亿年来大气氧气水平的记录,这告诉了我们,有多少氧气会扩散到海洋中,从而支持早期海洋生物。这些发现为地球上氧气水平的变化方式提供了一个新的视角。
结果表明,在新元古代,氧气水平不是简单地跃升,它的变化实际上要动态得多。而且从地质的时间尺度上而言,这种变化非常迅速。7.5 亿年前,氧气占大气的约 12%,而后在短短几千万年里,它就已经下降到大约 0.3%,也就是 1% 都不到,接着在几百万年后再次上升。
也就是说,在早期动物生命形式出现之前的很长一段时间里,氧气水平其实是在高与低之间震荡,包含了早期动物生活的海洋环境含有丰富氧气的时期,也有氧气贫乏的时期。直到大约 4.5 亿年前,植物在陆地上获得了一席之地,情况才有了变化。
耐人寻味的结果
研究人员表示,这种环境条件的变化,反而会带来进化上的压力,一些生命形式可能灭绝,而新的生命形式也可能出现。
氧气水平高的时期扩大了所谓的 " 宜居空间 ",也就是说,部分海洋中氧气水平高到了足以支持早期动物生命形式。 一些生态学理论已经提出,当宜居空间出现扩张或收缩时,有可能支持生物生命的多样性的快速变化。
当氧气水平下降时,一些生物要面对严重的环境压力,这可能会驱动灭绝。而当富含氧气的水域扩大时,新的空间则让幸存者来到了生态中的主导地位。这些扩大的宜居空间将持续数百万年,为生态系统的发展提供了充足的时间。
他们同时提到,了解地球大气氧气的历史,或许是一份有用的指南,可以作为我们寻找地外生命的起点。
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