氧气倒计时-虎嗅网

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Takeko，设计：雯雯子，头图来自：《金刚：骷髅岛》

一

大约24亿年前，地球发生了一次翻天覆地的变化。那时，大氧化事件发生，氧气开始在地球大气中累积。尽管这一事件对当时的地球生命来说是灾难性的，但却为后来多细胞生命的出现创造了新的机遇。

在地球的大部分历史时期中，氧气很可能一直保持在相当低的水平。直到约4亿年前陆地植物进化之后，大气中的氧气上升到了接近现代的水平。如今，氧气占据了约五分之一的大气，成为地球生命的关键要素，支持着有氧呼吸的复杂生命形式在这颗星球上蓬勃发展。

但科学家一直清楚的是，地球并不会永远保持这种支持生命发展的能力。地球是一颗动态的星球，更重要的是，太阳并非一成不变的。随着太阳变得越来越热，地球生命很可能会变得越来越难以生存，最终，生物圈将迎来一个关键的转折点——我们这颗星球无法再支持大多数植物和动物的生存。

根据《自然·地球科学》上发表的一项最新研究，这个转折点将在未来约10亿年内发生。研究利用计算机模拟了地球表面碳、氧、磷和硫循环的演变，并研究了气候变化和地球表面与地球内部的相互作用。结果显示，地球富氧的大气可能只能再持续约10.8亿年。

二

在模拟中，研究人员纳入了描述气候演变、地质过程和生物过程的各种变量，以及描述太阳活动的关键变量。研究模拟了两种理论情景，包括有活跃生物圈的类地行星，和不存在活跃生物圈的行星。有趣的是，两种情况产生了大致相似的结果。

模拟表明，太阳随着时间的推移会变得越来越明亮，释放出更多热量。大约10亿年后，地球将接收到更多太阳能。这种能量的增加产生了明显影响，比如，它会加速玄武岩和花岗岩等硅酸盐岩石的风化。当岩石风化时，二氧化碳从大气中被抽出，通过化学反应被固定在碳酸盐矿物中。大气二氧化碳水平开始显著下降。

然而二氧化碳和水是植物进行光合作用所需的关键成分之一。在大约一万年的时间里，二氧化碳就会大幅减少，光合作用随之越来越弱，大量植物面临灭顶之灾。

同时，光合作用的降低意味着氧气生产的减少。伴随着其他大规模地质过程的发生，氧气逐渐消失。这几乎注定标志着复杂生命形式的终结——由于大气中缺乏可供呼吸的气体，许多陆地和海洋生物很快灭绝。模拟还显示，在这一过程中，大气中甲烷水平会不断升高，这实际上会加速生物死亡的过程。

最终，地球将变成一颗死气沉沉的星球。大气中氧气含量极低，富含甲烷，还可能出现有机烟雾。臭氧层被剥离，陆地和海洋将暴露在高水平的紫外线中，来自太阳的热量炙烤着地球。除了细菌这样微小的厌氧生物之外，复杂生命不复存在——地球仿佛回到了动植物出现之前的那个世界。

图解模型结构。图片来源：Ozaki, K. & Reinhard, C./Nature Geoscience

即使在对没有活跃生物圈的行星的模拟中，由于地幔和地表环境之间的长期相互作用带来的影响，比如俯冲过程使岩石进入地幔，火山从地幔中释放的气体等地球化学过程，大气中的氧气仍会面临相似的结局。

三

为什么这一结果非常重要？想象一下，如果我们是来自另一个世界的外星人，通过在系外行星的大气中寻找氧气和臭氧，来搜寻生命的迹象。如果仪器在20亿年后或20亿年前扫描过地球，我们可能会得到一个“假阴性”的结果——这颗行星缺乏可靠的“生物信号”。

这正是天文学家和行星科学家如今面临的问题：我们应该瞄准什么样的系外行星？地外生命的可靠生物特征又是什么？

事实上，当我们谈论星球宜居性时，不仅仅是在说一颗恒星周围的某个地方，它还包括了行星演化过程中的某个时期。而我们现在所能观测到的东西仍然十分有限。

如果类比地球，我们可能需要更广泛地思考，在地外生命的探索中，我们应当在系外行星的大气中寻找哪些气体，并且重新思考这些气体可能包含的意义。

我们需要更好地了解地球大气随时间演化的历史，以及我们星球的表面和内部是如何一起演化的。只有这样，我们才能确定是否有生命存活在其他恒星周围的光芒中。

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