大约6.5亿年前,巨大的冰川从两极延伸到热带,将地球包裹在冰冻的外壳中,持续了数百万年。这种情况以前也发生过:我们的“淡蓝色小点”在地球历史上至少三次转变为珍珠白的“雪球地球”。但是,这些深度冻结带来了一个难题:它们本应是致命的,但生命显然幸存了下来。地质证据表明,我们最早的微观祖先并没有被冻死,遗传迹象表明,一系列单细胞生物的谱系延伸到了雪球地球之外。问题是如何做到的。
一项发表在预印本服务器 arXiv 并提交给《地球和行星科学快报》的新研究可能提供了一个解决方案。多伦多大学 (U.T.) 的天文学研究生阿迪夫·帕拉迪斯和他的同事们模拟了各种可能的雪球世界——改变了它们所拥有的火山数量以及它们接收到的恒星光量——结果发现,这些世界中的许多都永远无法摆脱雪球状态。那些火山活动很少的世界永远不会排放足够的二氧化碳来引发使其从低温沉睡中醒来的失控的全球变暖(就像地球上可能发生的那样)。然而,令人惊讶的是,这些世界中的许多也可能支持大片未冻结的陆地。其中一些地区仍然干燥,例如南极洲的麦克默多干谷,但另一些地区则形成了局部水文循环,允许液态水在其表面汇集和流动。
这种绿洲是雪球世界如何保持适宜居住的一种解释——这一结果不仅可以描述地球,还可以描述天文学家在银河系中发现的许多行星。“以前,我们可能会认为雪球不适宜居住,我们会错过可能存在生命的地方,”共同作者、U.T.的天体物理学家黛安娜·瓦伦西亚说。
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事实上,这项研究与之前关于地球历史上最近一次冰冻事件的研究相符。2015 年,苏格兰圣安德鲁斯大学的冰川学家道格拉斯·本发表了一项研究,该研究表明,地球的气候对地球绕太阳运行的轨道变化很敏感,导致冰盖前进和后退的周期。后者使湖泊汇集、河流流动以及简单的微生物生命蓬勃发展——即使在雪球事件期间也是如此。本和他的同事在他们创建的地球气候计算机模型中看到了这样的周期,他们还在斯瓦尔巴特群岛的北冰洋岛屿中发现了保存着冰盖前进和后退证据的沉积物。这些发现表明,上次雪球地球不会是完全的“深度冻结”——存在水可以流动的无冰陆地,从而维持了一个关键的避难所,生命可以在那里持续到更有利条件恢复。
但无冰区并不是解释生命如何在雪球地球上幸存下来的唯一机制。自 1992 年以来,研究人员假设了一系列想法,而且似乎每个科学家都偏爱不同的想法,宾夕法尼亚州立大学的地质学家詹姆斯·卡斯汀说。他认为生命可能在一层薄冰之下生存。在南极洲,湖泊冻结的速度非常缓慢,以至于不包含气泡,因此对阳光保持透明——允许光合作用生命在几米厚的冰层下茁壮成长。哈佛大学退休地质学家保罗·霍夫曼认为,尘埃可能为生命提供最有可能的缓解。随着雪收集灰尘,它可以更容易地吸收阳光,导致冰上形成融水的池塘。众所周知,在今天的极地环境中,这样的池塘是藻类和蓝细菌繁荣的生态系统的栖息地(尽管本指出科学家没有在雪球地球时期这些池塘的直接地质证据)。最后,没有地质学家反对热液喷口,那里火山活跃的区域以超高温喷出水。毕竟,南极洲和冰岛的温泉今天创造了温暖的、充满生命的绿洲。
最终,关于哪种机制帮助生命度过雪球地球的争论仍在继续。尽管卡斯汀指出,帕拉迪斯和本假设的无冰区提供了一种潜在的解决方案,但最新的模型存在一些注意事项。他和霍夫曼都希望看到帕拉迪斯的团队包括海冰川流动,例如,因为冰可能从两极流向赤道,覆盖他们提出的非冰川区域。帕拉迪斯本人也列出了他的模型的许多注意事项:它的分辨率较低,采取了一些计算捷径,并且不包括某些过程,例如大气尘埃的影响。
卡斯汀说,归根结底,可能还有另一种没有人想到的生存机制。或者,也可能是几种机制共同作用,帮助地球上的生命得以延续。本认为,生命很可能不是在一个主要的生存环境中幸存下来的,而是在多个环境中幸存下来的。因此,在无冰区、薄冰层、融水池塘和热液喷口的帮助下,雪球可能仍然适宜居住。事实上,加州理工学院的地球生物学家约瑟夫·基尔什文克创造了“雪球地球”这个词,他一直对许多人期望生命在深度冻结中消失感到惊讶。“生命很难被扑灭——即使在雪球上,”他说。