您现在的位置:主页 > 德育天地 >

那一天,人们终于回想起大气压曾被细菌削掉一

作者:佚名 来源:= 发布时间:2021-06-16 11:56
 

  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?

  【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】

  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。

  【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】

  【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】

  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。

  【艺术家想象的太古宙地球】

  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.

  来源:果壳网

点击数: 【字体: 收藏 打印文章 查看评论

上一篇:那对于学习过程中的错误

下一篇:没有了