如果说有一场雪,一下就是整整十亿年,连本该最炎热的赤道都被冻成了白茫茫的冰原,你会相信吗?
这样的极端场景并非科幻想象,而是在地质史上真实上演过的灾难——那么被厚厚冰壳包裹住的地球,究竟是如何从死寂中重新苏醒,又给后来的生命演化留下了怎样的馈赠?
寒武纪生命大爆发之前,拉到多细胞生物刚刚登上历史舞台之前,再拉到恐龙连影子都还没有出现的那个遥远年代,这场雪也依然在下。
那是元古宙时期真实存在过的"雪球地球"事件,整颗星球被冰雪严严实实地包裹了长达十亿年之久,冰层厚度达到数公里,就连赤道区域也成了白茫茫的大冰原。
要理解这场灾难是如何开始的,还要把目光投向约二十五亿年前——那时的地球刚从太古宙的混乱状态中缓过神来,和我们如今熟悉的家园完全是两副面孔。
而在整个地球历史上,这样被厚冰覆盖的"大雪球"时期至少出现过三次。按理说,一旦被厚厚的冰层覆盖,地球能够吸收到的太阳辐射会越来越少,照此下去永远都没有翻身解冻的机会。
但现实告诉我们并非如此,那么,究竟是什么重新温暖了这颗冰封的星球,让冰雪融化、万物复苏?答案是火山。
事实上,即便整颗星球被冰层死死锁住,地下的火山活动也从未停歇。雪球地球假说认为,正是经年累月的火山喷发所积聚起来的二氧化碳,让地球渐渐变暖,最终达到可以融化冰层的温度。
不过,仅仅恢复到降温之前的二氧化碳浓度还远远不够——雪球地球表面的反照率实在太高,大部分太阳辐射都被白色冰面原封不动地反射回了太空。所以二氧化碳必须积累到足够夸张的数量,才能抵消被反射掉的那部分能量。
数据可以直观说明这个"夸张"是什么概念。
研究估算,大约在七亿到六亿年前的那次解冻事件中,大气二氧化碳的浓度一度达到了今天地球的四百倍左右;而更早的那场发生在约二十三亿年前的休伦大冰期,想要让冰壳重新裂开,二氧化碳浓度甚至需要攀升到现在的一千倍以上。
只有堆积到如此惊人的量级,温室效应才能战胜冰面高反照率带来的"冷却锁"。
于是雪球地球末期的景象变得极为奇特:地球整个被冰层覆盖,而大气中却同时充斥着浓厚的温室气体。当平衡被打破,气温开始缓慢爬升,冰层出现最初的裂缝。
一旦冰层开始融化,比冰面更容易吸收阳光的裸露地表就会一点点显露出来,地球对阳光的反照率随之下降,气温上升得更快,冰层融化得更快,反照率进一步降低,升温又再加速。
如此反复,形成了一个强烈的正反馈链条,终于在数千年的时间里,让覆盖了整颗星球的冰壳完全消融。
但冰雪消融,并不意味着春天的到来。重生后的地球还要再经历一轮折磨——因为大气中囤积了海量的温室气体,解冻之后的全球平均气温,据推测一度高达六十摄氏度。从极寒到酷热,这颗星球几乎是在用一种极端的方式甩掉身上的冰盔甲。
那么,在如此严酷的大冰期里,生命的祖先究竟是如何活下来、延续下来的?这也是雪球地球假说中最大的谜团之一。
雪球地球假说的提出者约瑟夫·基施温克认为,恶劣环境下,生物可能聚集在海底热泉附近繁衍生息。那里的地热能够融化冰层,或者至少让冰层变薄,使阳光可以穿透冰盖抵达海水,聚集在此的生命也就得以通过光合作用延续下去。
还有一种近些年被反复讨论的可能性:当时的蓝藻等微生物与矿物颗粒一起聚集,以一种被称为"冰尘"的颗粒状态在冰面之上存活。这并非完全的空想——如今在极端寒冷的南极冰盖上,就确实存在类似"冰尘"的生态单元。
既然连南极都不排斥微生物的驻扎,那么生命要在雪球地球的表面顽强留存,也不是什么做不到的事情。
雪球地球摧毁了许多原本的生命乐园,让幸存者在短期内吃尽了苦头。但从更长的时间尺度上看,这场灾难对大气氧含量的提升,乃至对后来生命进化的方向,都有着非同小可的意义。
我们知道,如今地球大气中的氧气浓度约为百分之二十一;而地球上最早的氧气,要追溯到约二十七亿年前那次被称为"大氧化事件"的转折点。当时的海洋中,蓝藻大量出现并繁殖,正是它们的光合作用,为这颗星球带来了第一批自由氧。
不过,目前主流观点认为,地球氧含量并不是从蓝藻诞生起就匀速爬升的,而是经历了两次剧烈的"台阶式"跃升。巧合的是,每一次氧浓度大跃进之前,地球都恰好处在全球冰封状态。氧气的突然增加和雪球地球之间,几乎可以肯定存在深层联系。
这个联系的链条可以这样串起来:当二氧化碳积累到足够高的程度,冰层开始融化,反照率降低,气温急剧上升,海水蒸发量随之猛增,大量的降雨又反过来加剧了岩石的化学风化。
于是陆地上的各种金属元素,连同蓝藻生长所必需的磷等关键养分,被源源不断地冲刷进海洋。
随之而来的结果,是在严酷环境中侥幸存活下来的海藻,在冰层消失后迎来了一场罕见的大爆发。灭绝的危机刚刚过去,繁荣的时代就紧跟而至。
急速扩张的蓝藻通过光合作用不断消耗着大气中的二氧化碳,制造出大量氧气。原本不足现在十万分之一的氧浓度,在二十三亿年前的休伦大冰期结束之后,一跃接近今天的水平。
此后一到两亿年里,铁等物质的氧化又重新消耗掉了部分氧气,最终与光合作用达到动态平衡,氧浓度稳定在现在的百分之一到千分之一之间。
此后十多亿年,氧气含量始终维持在相对稳定的水平。如果一直这样发展下去,复杂的高级生命恐怕很难有机会登场。
但幸运的是,在七亿到六亿年前,地球再次陷入全球冰冻。解冻之后,氧浓度又迎来了第二次剧烈跃升。
目前的看法认为,今天地球大气中的氧含量格局,就是在那之后逐步稳定下来的。
吊诡的是,许多熬过了严冬的生物并没有因此迎来春天,反而遭遇了无情的淘汰——因为它们可能根本无法适应突然飙升的氧浓度。氧气对那些厌氧生物来说甚至是毒药。
于是在那段时间里,地球生物的构成发生了翻天覆地的变化,新的生命形式开始在氧气充沛的环境中占据主导。
目前已知最早的多细胞动物化石,发现于约六点三亿年前的地层中,这恰好对应着那次大冰期的尾声。可以认为,人类之所以能够出现在这颗星球上,很大程度上要感谢六亿多年前的那场雪球地球。
另外,最早的真核生物化石发现于约十九亿年前的地层中,意味着在此之前的生命几乎都是不需要氧气的。
进化的大致脉络也许就是这样:在约二十亿年前氧浓度首次剧增的时期,能够利用氧气的生物活了下来,并最终演化为真核生物;再到七亿到六亿年前第二次大冰冻解冻之后,氧浓度再度上扬,消耗更多氧气的多细胞生物也随之诞生。
当然,这目前还只是一种假说。那么未来的地球,还有可能再被完全冻住吗?答案是完全有可能。
虽然如今地球接收到的太阳辐射比七亿年前更强,但别忘了,还有人类这个巨大的不稳定变量。如果发生大规模核战争,所谓的"核冬天"足以把整颗星球再次推入冰封;此外,小行星撞击、超级火山喷发等等,也都是悬在头顶的隐患。
值得再次强调的是,地球历史上到底有没有真正出现过全球性的冰冻,其实目前依然只是一个假说;就算雪球地球真的曾经存在,围绕它的许多谜团也仍未解开。
要想揭晓答案,除了继续在地球自身的岩层和化石里深耕之外,随着系外行星探测技术的不断推进,也许在不远的未来,我们还能在宇宙深处亲眼见到一颗真实存在的"雪球地球",去验证这段尘封十亿年的远古恐怖往事。

