氧气大量出现之前,早期地球因光合作用产生的气体保持温暖

2018-02-26 293
摘要:黯淡太阳悖论(faint young sun paradox)一直是引起科学家广泛辩论的主题,也是地球或与地球相似的系外行星的气候调节,变得长期稳定适合生物生长的重要分歧点。为了找到其中原因,科学家 Chris Reinhard 等人对此进行了一系列研究,研究成果近日发布于科学期刊《Nature Geoscience》。 Reinhard 是 NASA 天体生物学(ast

黯淡太阳悖论(faint young sun paradox)一直是引起科学家广泛辩论的主题,也是地球或与地球相似的系外行星的气候调节,变得长期稳定适合生物生长的重要分歧点。为了找到其中原因,科学家 Chris Reinhard 等人对此进行了一系列研究,研究成果近日发布于科学期刊《Nature Geoscience》。

Reinhard 是 NASA 天体生物学(astrobiology)研究所的类地球(Alternative Earths)研究计划主持人,这项研究计划希望能了解地球早期大气的氧化还原情形,当作寻找系外行星的参考,甚至在日后让人类得以在其他星球定居。

“黯淡太阳悖论”是指距今大约 30 亿年前,当时太阳的能量比现在弱 25%,但地质学证据却显示当时的地球比现在还要温暖的现象。对此,最常见的解释是当时地球大气层可能有更高浓度的温室气体,但这种解释又会衍生出两个大问题,究竟是哪种温室气体?又为什么有那么高的含量?不管是地质学、化学或生物学的各类型指标都显示,不同的原因会导致大气层气体组成有差异。

为了解释这项悖论,了解地球早期的生物型态对当时大气层的影响,Reinhardt 带领研究团队进行一系列研究,研究团队认为当时生物还没有演化出足够产生氧气的光合作用能力。

研究团队结合了不同的大气组成假设所形成的不同生态系统,以全球氧化还原平衡状态,模拟演化早期比较原始的光合作用过程,在生化以及气候层面的影响。模拟结果显示,有两种类型的生物体能进行不产氧光合作用(Anoxygenic photosynthesis)产生足够的甲烷,让当时早期地球的表面温度就算太阳能量较低也能维持温暖。其中一类生物能代谢氢气,另一类能将铁氧化,同时结合两种作用,才会产生足够热量,在过去氧气不充足的条件下扮演相当重要的角色。

虽然现在光合作用已是制造氧气的主要来源,但由于氧气直到近 20 亿年才大量存在于大气层,而能产生氧气的光合作用,从什么时候开始出现一直是个未解之谜。20 亿年前的地球大气中游离氧突然大量增加的大氧化事件(Great Oxygenation Event),可能就是由于光合作用开始制造氧气导致,但也有可能生产氧气的光合作用更早以前就已出现,只是影响力有限,让大气层的氧气当时仍不充足,到后来才因其他原因增多。如果真实情况比较符合第二种假设,那么大氧化事件的成因就比较可能是因为地壳变动造成。

Reinhardt 及 NASA 之所以对这项问题感兴趣,是因为如果第二种情况为真,那么这些资讯就能帮助我们了解早期地球的氧气循环,了解铁元素在这些过程中的重要性等,为争议已久的问题提出新观点。除此之外,了解地球大气层氧气增加的过程以及早期生物对大气层的影响,也能帮助我们辨认其他星球可能有生物的特征。

  • Photosynthesis before oxygen may have kept the early Earth warm
  • Effects of primitive photosynthesis on Earth’s early climate system

(首图来源:pixabay)