10亿年后,氧气将成地球稀缺品?

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

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。

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。

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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