30億年前的大氣只有現在的一半!竟然是細菌吃掉了另一半!

類別: 新奇

(文/溯鷹)相較於賴以立足的行星,生物的尺度真的太小了。從時間上看,短則數天長不過幾百年,與地球四十六億年相比不過是轉瞬之間的須臾;而從空間上看,哪怕整個生物圈,甚至連“地球的薄膜”都算不上,充其量也不過是“薄膜之上的塵埃”。生命如戲,世界是舞臺,演員就算再賣力,也不能對舞臺奈何分毫吧。

但如果新研究告訴你,細菌,這種最不起眼的生命形態,曾經吃掉了一半的地球大氣,很久之後才又吐了出來呢?

30億年前的大氣只有現在的一半!竟然是細菌吃掉了另一半!

今天濃厚而多姿的地球大氣,與幾十億年前地球大氣的真實模樣可能大徑相庭。圖片來源:Wikipedia

【講故事的小氣泡】

地球能有生命,極大程度上要拜大氣層所賜——沒有大氣,就會像月球那樣遭遇晝夜溫差兩三百度的慘劇。這些氣體主要來自地球內部,但是等到地球從初始的動盪裡穩定下來之後,就很難有什麼地質過程能大規模釋放氣體了。所以從那時起直到今天,地球應該一直有一個濃密的大氣層,對吧?

結果不對。2016年5月,華盛頓大學的桑綽伊.索姆(Sanjoy Som)等人在《自然•地球科學》(Nature Geoscience)上發表研究說,地球曾經歷過一個“超薄”時期,大氣層不到今日一半大氣壓的水平。

足足半個星球的大氣是被誰吃了?又是怎麼吐出來的呢?如此重大的事件,被扒出來的地方,居然是在芝麻粒兒大小的…小泡泡裡面。

索姆教授的團隊在澳大利亞發現了一套30億年前的熔岩。在這些熔岩表層,有一些已經被沉澱物充填踏實的小氣泡。小泡泡倒不是什麼新鮮的事情,熔岩是一種成分複雜的液體,裡面溶解了大量的氣體物質。當熔岩噴出地表之後,由於溫度和壓力的降低,這些溶解在熔岩中的氣體不免會釋放出來,然而,熔岩本身粘度很大,有時候氣泡還沒有完全跑出來,熔岩就凝固了,於是氣泡便被封印在了凝固的熔岩流中。氣泡裡的氣體物質會隨著溫度的冷卻慢慢結晶沉澱,直到把整個氣泡填滿,看上去就像一個個白杏仁一樣。這樣的熔岩形態,在岩石學家那裡有一個很形象的名詞來稱呼它,即所謂的杏仁構造(Amygdaloidal Structure)。

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杏仁狀構造的熔岩切片,白色的杏仁狀物質便是沉澱物填滿的氣孔,這些氣孔在冷凝時被封存在熔岩之內。圖片來源:blogs.agu.org. 拍攝者:地質學家Evelyn Mervine,2007;標本採集地點:Ninetyeast Ridge, Indian Ocean

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正交光下的杏仁構造玄武岩,中間的“杏仁”被塞進了其他礦物,和外圈玄武岩明顯不同。圖片來源:micro.magnet.fsu.edu

熔岩裡有泡泡並不奇怪,但誰能主導泡泡能不能溢位、溢位的泡泡有多大——就是我們該關注的重點了。說白了,大氣壓說了算。30億年前的熔岩,30億年前的大氣壓說了算。

而計算的結果就是,30億年前的大氣層只有今天一半不到的水平。

【吃掉大氣層的微生物】

足足一半的大氣沒有了,這可不是小事;大氣中氧氣的含量才五分之一而已啊。這麼大規模的變化,那嫌疑人只能是大氣層最主要的一種成分:氮氣。

氮氣(N2,Nitrogen),一種大家並不陌生的氣體。從液氮冰淇淋到充氮啤酒,生活中似乎時不時都能看到這種氣體存在的痕跡,但其實這都不是氮氣真正刷存在感的地方。氮氣真正“大秀身材”的地方,是地球的大氣層。我們平時呼吸的空氣裡,有幾乎80%都是氮氣。至於氧氣,其實只佔了差不多20%左右;然後剩下的1%才是什麼二氧化碳啊等雜質。所以,說氮氣是今天大氣層的絕對主角,似乎一點也不過分。它的化學性質很穩定,你點燃不了它,呼吸進去之後也無法被我們的身體所利用。比起靠氧化還原反應(Redox reaction)統治了大半部地球演化史的氧氣,氮氣似乎永遠都是那個不聲不響的低調角色。

真的不聲不響嗎?那是針對我們們這些靠氧氣呼吸的生物來說的。要是擱到細菌的世界裡,可能就要換一種說法了。

大量研究已經表明,早在太古宙時候,地球上已經有細菌生存的跡象了。這些太古細菌的“食譜”很古怪。它們可以直接攝取大氣中的氮氣,通過把氮氣(其中的氮為零價態)還原成氨(NH3,N為-3價態)來直接合成生物界裡最重要的一種建材——也就是我們大家熟悉的氨基酸。在大氧化事件發生之前,由於整個地表都缺氧,當這些還原態的氮被細菌的新陳代謝被排洩出來時,就很難被氧化成氮氣回到大氣層。

那它們還能跑到哪兒呢?它們上不了天,但是能“下地”——通過沉積作用聚集到岩石圈中,以銨離子(NH4+)的形式固定下來,固定到岩石的晶格中。就這樣,在細菌這個“中介”的作用下,大氣圈中氮氣,會逐步進入岩石圈,而岩石圈中的氮呢——由於環境中缺少將它們的價態氧化上去的機制——則很難重新迴圈成氮氣排出到大氣層中。在這個單向度的消耗過程中,大氣層中的氮氣會越來越少,而岩石圈中的氮素會越來越多。這個過程,被形象地稱為“固氮作用”(Nitrogen fixation)。太古細菌們源源不斷地進行著固氮作用,日積月累,月積年累,億萬年地積、億萬年地累,最終,把這顆星球的大氣壓,削到了不足今天一半當量的水平。

然後問題來了:大氣層是怎麼從當時那稀薄的狀態,一步步積累到現在這麼厚的水平呢?這其中,想來必有一次行星級的大事件。

【光芒下的新世界】

答案是:由於沐浴在光芒之下,生命們慢慢地走進了新世界。光是太陽光的光,新世界是富氧的新世界。嗜氮菌畢竟只是太古細菌中的一部分。另一部分——比如藍藻——則是營光合作用的生物。這些慢慢崛起的光合細菌,將大量的氧氣排洩到外界,從而徹底改造了大氣層的貧氧面貌,沒錯,這就是25億年前的大氧化事件本身。這次事件終結了令人窒息的太古宙(Archean Eon),開啟了地球富氧時代的第一扇大門——元古宙(Proterozoic Eon)。由於這個事件對地球的演化非常重要,我在接下來會專門找時間來聊聊它。

30億年前的大氣只有現在的一半!竟然是細菌吃掉了另一半!

藝術家想象的太古宙地球。圖片來源:bbc

氧氣一旦充足了之後,它們便會以摧枯拉朽之勢氧化地表一切能氧化的東西,包括鐵、包括硫、更包我們這篇故事裡的主角——氮。於是結果就是,大量的氮突破了岩石圈長久以來的禁閉,以氮氣的形式重新回到了久違的大氣層。這些迴歸的氮氣一步步充實著大氣層的體量,自此和氧一道,成為地球大氣中具有壓倒性比例的雙巨頭。直到在漫長的歲月中,將大氣層塑造為我們今日得以感受的水平。

所以這段故事告一段落了?但站在我們人類的立場來說,“新世界的大門”其實並不在洪荒的過去,而在未來的前方。人類已經掌握了測定系外行星光譜的技術,而系外行星的光譜,可以幫助我們推斷這些行星表面的化學成分。

好了,有趣的在這兒:試想如果有一天,我們確認了一顆系外行星稀薄貧氮、但卻有著異常豐富的溫室氣體……?

那時的你覺得會發生些什麼呢?

還是引用費曼那句話:“我就先說到這兒,剩下的,就留給你們來想像了。”(編輯:Ent)

來源:果殼

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