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大約24億年前，地球發(fā)生了一次翻天覆地的變化。那時(shí)，大氧化事件發(fā)生，氧氣開始在地球大氣中累積。盡管這一事件對(duì)當(dāng)時(shí)的地球生命來說是災(zāi)難性的，但卻為后來多細(xì)胞生命的出現(xiàn)創(chuàng)造了新的機(jī)遇。

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在地球的大部分歷史時(shí)期中，氧氣很可能一直保持在相當(dāng)?shù)偷乃?。直到約4億年前陸地植物進(jìn)化之后，大氣中的氧氣上升到了接近現(xiàn)代的水平。如今，氧氣占據(jù)了約五分之一的大氣，成為地球生命的關(guān)鍵要素，支持著有氧呼吸的復(fù)雜生命形式在這顆星球上蓬勃發(fā)展。

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但科學(xué)家一直清楚的是，地球并不會(huì)永遠(yuǎn)保持這種支持生命發(fā)展的能力。地球是一顆動(dòng)態(tài)的星球，更重要的是，太陽(yáng)并非一成不變的。隨著太陽(yáng)變得越來越熱，地球生命很可能會(huì)變得越來越難以生存，最終，生物圈將迎來一個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)——我們這顆星球無法再支持大多數(shù)植物和動(dòng)物的生存。

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根據(jù)《自然·地球科學(xué)》上發(fā)表的一項(xiàng)最新研究，這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)將在未來約10億年內(nèi)發(fā)生。研究利用計(jì)算機(jī)模擬了地球表面碳、氧、磷和硫循環(huán)的演變，并研究了氣候變化和地球表面與地球內(nèi)部的相互作用。結(jié)果顯示，地球富氧的大氣可能只能再持續(xù)約10.8億年。

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在模擬中，研究人員納入了描述氣候演變、地質(zhì)過程和生物過程的各種變量，以及描述太陽(yáng)活動(dòng)的關(guān)鍵變量。研究模擬了兩種理論情景，包括有活躍生物圈的類地行星，和不存在活躍生物圈的行星。有趣的是，兩種情況產(chǎn)生了大致相似的結(jié)果。

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模擬表明，太陽(yáng)隨著時(shí)間的推移會(huì)變得越來越明亮，釋放出更多熱量。大約10億年后，地球?qū)⒔邮盏礁嗵?yáng)能。這種能量的增加產(chǎn)生了明顯影響，比如，它會(huì)加速玄武巖和花崗巖等硅酸鹽巖石的風(fēng)化。當(dāng)巖石風(fēng)化時(shí)，二氧化碳從大氣中被抽出，通過化學(xué)反應(yīng)被固定在碳酸鹽礦物中。大氣二氧化碳水平開始顯著下降。

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然而二氧化碳和水是植物進(jìn)行光合作用所需的關(guān)鍵成分之一。在大約一萬年的時(shí)間里，二氧化碳就會(huì)大幅減少，光合作用隨之越來越弱，大量植物面臨滅頂之災(zāi)。

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同時(shí)，光合作用的降低意味著氧氣生產(chǎn)的減少。伴隨著其他大規(guī)模地質(zhì)過程的發(fā)生，氧氣逐漸消失。這幾乎注定標(biāo)志著復(fù)雜生命形式的終結(jié)——由于大氣中缺乏可供呼吸的氣體，許多陸地和海洋生物很快滅絕。模擬還顯示，在這一過程中，大氣中甲烷水平會(huì)不斷升高，這實(shí)際上會(huì)加速生物死亡的過程。

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最終，地球?qū)⒆兂梢活w死氣沉沉的星球。大氣中氧氣含量極低，富含甲烷，還可能出現(xiàn)有機(jī)煙霧。臭氧層被剝離，陸地和海洋將暴露在高水平的紫外線中，來自太陽(yáng)的熱量炙烤著地球。除了細(xì)菌這樣微小的厭氧生物之外，復(fù)雜生命不復(fù)存在——地球仿佛回到了動(dòng)植物出現(xiàn)之前的那個(gè)世界。

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?圖解模型結(jié)構(gòu)。| 圖片來源：Ozaki, K. & Reinhard, C./Nature Geoscience

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即使在對(duì)沒有活躍生物圈的行星的模擬中，由于地幔和地表環(huán)境之間的長(zhǎng)期相互作用帶來的影響，比如俯沖過程使巖石進(jìn)入地幔，火山從地幔中釋放的氣體等地球化學(xué)過程，大氣中的氧氣仍會(huì)面臨相似的結(jié)局。

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為什么這一結(jié)果非常重要？想象一下，如果我們是來自另一個(gè)世界的外星人，通過在系外行星的大氣中尋找氧氣和臭氧，來搜尋生命的跡象。如果儀器在20億年后或20億年前掃描過地球，我們可能會(huì)得到一個(gè)“假陰性”的結(jié)果——這顆行星缺乏可靠的“生物信號(hào)”。

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這正是天文學(xué)家和行星科學(xué)家如今面臨的問題：我們應(yīng)該瞄準(zhǔn)什么樣的系外行星？地外生命的可靠生物特征又是什么？

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事實(shí)上，當(dāng)我們談?wù)撔乔蛞司有詴r(shí)，不僅僅是在說一顆恒星周圍的某個(gè)地方，它還包括了行星演化過程中的某個(gè)時(shí)期。而我們現(xiàn)在所能觀測(cè)到的東西仍然十分有限。

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如果類比地球，我們可能需要更廣泛地思考，在地外生命的探索中，我們應(yīng)當(dāng)在系外行星的大氣中尋找哪些氣體，并且重新思考這些氣體可能包含的意義。

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我們需要更好地了解地球大氣隨時(shí)間演化的歷史，以及我們星球的表面和內(nèi)部是如何一起演化的。只有這樣，我們才能確定是否有生命存活在其他恒星周圍的光芒中。

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#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：

文字：Takeko

設(shè)計(jì)：雯雯子

#參考來源：

https://theconversation.com/a-billion-years-from-now-a-lack-of-oxygen-will-wipe-out-life-on-earth-156241

https://phys.org/news/2021-03-simulations-earth-oxygen-rich-atmosphere-billion.html

https://www.newscientist.com/article/2269567-most-life-on-earth-will-be-killed-by-lack-of-oxygen-in-a-billion-years/

https://www.nature.com/articles/s41561-021-00693-5

#圖片來源：

封面圖：NASA


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