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相较于赖以立足的行星,生物的尺度真的太小了。从时间上看,短则数天长不过几百年,与地球四十六亿年相比不过是转瞬之间的须臾;而从空间上看,哪怕整个生物圈,甚至连“地球的薄膜”都算不上,充其量也不过是“薄膜之上的尘埃”。生命如戏,世界是舞台,演员就算再卖力,也不能对舞台奈何分毫吧。

但如果今年有一项最新研究告诉你,细菌,这种最不起眼的生命形态,曾经吃掉了一半当量的地球大气压,很久之后才又吐了出来呢?

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【今天浓厚而多姿的地球大气,与几十亿年前地球大气的真实模样可能大径相庭】

【图片来源:Wikipedia】

讲故事的小气泡

地球能有生命,极大程度上要拜大气层所赐——没有大气,就会像月球那样遭遇昼夜温差两三百度的惨剧。这些气体主要来自地球内部,但是等到地球从初始的动荡里稳定下来之后,就很难有什么地质过程能大规模释放气体了。所以从那时起直到今天,地球应该一直有一个浓密的大气层,对吧?

结果不对。2016年5月,华盛顿大学的桑绰伊.索姆(Sanjoy Som)等人在《自然•地球科学》(Nature Geoscience)上发表研究说,地球曾经历过一个“超薄”时期,大气层不到今日一半大气压的水平。

足足半个星球的大气是被谁吃了?又是怎么吐出来的呢?如此重大的事件,被扒出来的地方,居然是在芝麻粒儿大小的…小泡泡里面。

索姆教授的团队在澳大利亚发现了一套30亿年前的熔岩。在这些熔岩表层,有一些已经被沉淀物充填踏实的小气泡。小泡泡倒不是什么新鲜的事情,熔岩是一种成分复杂的液体,里面溶解了大量的气体物质。当熔岩喷出地表之后,由于温度和压力的降低,这些溶解在熔岩中的气体不免会释放出来,然而,熔岩本身粘度很大,有时候气泡还没有完全跑出来,熔岩就凝固了,于是气泡便被封印在了凝固的熔岩流中。气泡里的气体物质会随着温度的冷却慢慢结晶沉淀,直到把整个气泡填满,看上去就像一个个白杏仁一样。这样的熔岩形态,在岩石学家那里有一个很形象的名词来称呼它,即所谓的杏仁构造(Amygdaloidal Structure)。

熔岩里有泡泡并不奇怪,但谁能主导泡泡能不能溢出、溢出的泡泡有多大——就是我们该关注的重点了。说白了,大气压说了算。30亿年前的熔岩,30亿年前的大气压说了算。

而计算的结果就是,30亿年前的大气层只有今天一半不到的水平。

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【杏仁状构造的熔岩切片,白色的杏仁状物质便是沉淀物填满的气孔,这些气孔在冷凝时被封存在熔岩之内】

【图片来源:blogs.agu.org. 拍摄者:地质学家Evelyn Mervine,2007;标本采集地点:Ninetyeast Ridge, Indian Ocean】

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【正交光下的杏仁构造玄武岩,中间的“杏仁”被塞进了其他矿物,和外圈玄武岩明显不同】

【图片来源:micro.magnet.fsu.edu】

 

吃掉大气层的微生物

足足一半的大气没有了,这可不是小事;大气中氧气的含量才五分之一而已啊。这么大规模的变化,那嫌疑人只能是大气层最主要的一种成分:氮气。

氮气(N2,Nitrogen),一种大家并不陌生的气体。从液氮冰淇淋到充氮啤酒,生活中似乎时不时都能看到这种气体存在的痕迹,但其实这都不是氮气真正刷存在感的地方。氮气真正“大秀身材”的地方,是地球的大气层。我们平时呼吸的空气里,有几乎80%都是氮气。至于氧气,其实只占了差不多20%左右;然后剩下的1%才是什么二氧化碳啊等杂质。所以,说氮气是今天大气层的绝对主角,似乎一点也不过分。它的化学性质很稳定,你点燃不了它,呼吸进去之后也无法被我们的身体所利用。比起靠氧化还原反应(Redox reaction)统治了大半部地球演化史的氧气,氮气似乎永远都是那个不声不响的低调角色。

真的不声不响吗?那是针对咱们这些靠氧气呼吸的生物来说的。要是搁到细菌的世界里,可能就要换一种说法了。

大量研究已经表明,早在太古宙时候,地球上已经有细菌生存的迹象了。这些太古细菌的“食谱”很古怪。它们可以直接摄取大气中的氮气,通过把氮气(其中的氮为零价态)还原成氨(NH3,N为-3价态)来直接合成生物界里最重要的一种建材——也就是我们大家熟悉的氨基酸。在大氧化事件发生之前,由于整个地表都缺氧,当这些还原态的氮被细菌的新陈代谢被排泄出来时,就很难被氧化成氮气回到大气层。

那它们还能跑到哪儿呢?它们上不了天,但是能“下地”——通过沉积作用聚集到岩石圈中,以铵离子(NH4+)的形式固定下来,固定到岩石的晶格中。就这样,在细菌这个“中介”的作用下,大气圈中氮气,会逐步进入岩石圈,而岩石圈中的氮呢——由于环境中缺少将它们的价态氧化上去的机制——则很难重新循环成氮气排出到大气层中。在这个单向度的消耗过程中,大气层中的氮气会越来越少,而岩石圈中的氮素会越来越多。这个过程,被形象地称为“固氮作用”(Nitrogen fixation)。太古细菌们源源不断地进行着固氮作用,日积月累,月积年累,亿万年地积、亿万年地累,最终,把这颗星球的大气压,削到了不足今天一半当量的水平。

然后问题来了:大气层是怎么从当时那稀薄的状态,一步步积累到现在这么厚的水平呢?这其中,想来必有一次行星级的大事件。

光芒下的新世界

答案是:由于沐浴在光芒之下,生命们慢慢地走进了新世界。光是太阳光的光,新世界是富氧的新世界。嗜氮菌毕竟只是太古细菌中的一部分。另一部分——比如蓝藻——则是营光合作用的生物。这些慢慢崛起的光合细菌,将大量的氧气排泄到外界,从而彻底改造了大气层的贫氧面貌,没错,这就是25亿年前的大氧化事件本身。这次事件终结了令人窒息的太古宙(Archean Eon),打开了地球富氧时代的第一扇大门——元古宙(Proterozoic Eon)。由于这个事件对地球的演化非常重要,我在接下来会专门找时间来聊聊它。

An artist's impression of an Archean landscape (3,800 to 2,500 million years ago), with the thin crust scarred by meteorite craters and dotted with pools of molten rock.

【艺术家想象的太古宙地球】

【图片来源:bbc】

氧气一旦充足了之后,它们便会以摧枯拉朽之势氧化地表一切能氧化的东西,包括铁、包括硫、更包我们这篇故事里的主角——氮。于是结果就是,大量的氮突破了岩石圈长久以来的禁闭,以氮气的形式重新回到了久违的大气层。这些回归的氮气一步步充实着大气层的体量,自此和氧一道,成为地球大气中具有压倒性比例的双巨头。直到在漫长的岁月中,将大气层塑造为我们今日得以感受的水平。

所以这段故事告一段落了?但站在我们人类的立场来说,“新世界的大门”其实并不在洪荒的过去,而在未来的前方。人类已经掌握了测定系外行星光谱的技术,而系外行星的光谱,可以帮助我们推断这些行星表面的化学成分。

好了,有趣的在这儿:试想如果有一天,我们确认了一颗系外行星稀薄贫氮、但却有着异常丰富的温室气体……?

那时的你觉得会发生些什么呢?

还是引用费曼那句话:“我就先说到这儿,剩下的,就留给你们来想像了。”(编辑:Ent)

参考文献

1. Sanjoy M. Som et al., 2016. Earth’s air pressure 2.7 billion years agoconstrained to less than half of modern levels. Nature Geoscience. In press. DOI: 10.1038/ngeo2713
2. Maddie Stone. This Might Be the Weirdest Thing That's Ever Happened to Earth's Atmosphere. http://gizmodo.com/this-might-be-the-weirdest-thing-thats-ever-happened-to-1775604847

关于

原文发表于果壳网(guokr.com),编辑:Ent

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2 Responses to “那一天,人们终于回想起大气压曾被细菌削掉一半的恐怖”

  1. fierycloud说道:

    突然觉得,该不会以NH3合成氨基酸的方式,是来自适应(消耗)原始大气的生物... ... 还原大气... ...氧化大气... ...

  2. 007说道:

    那个星球的曾经富含O2, 然后由于大量的C与O2作用,生成了毁灭级别的CO2,植物和光合细菌由于高温或者极端气候而灭绝了,所有的动物也消失了,只剩下一些利用N2的细菌,他们利用N2,使得这个星球的N2含量极低。而之前的CO2和H2O依然留在大气中。