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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(kāi)始在地球大氣中累積。盡管這一事件對當時(shí)的地球生命來(lái)說(shuō)是災難性的，但卻為后來(lái)多細胞生命的出現創(chuàng )造了新的機遇。

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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低的水平。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代的水平。如今，氧氣占據了約五分之一的大氣，成為地球生命的關(guān)鍵要素，支持著(zhù)有氧呼吸的復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(zhù)太陽(yáng)變得越來(lái)越熱，地球生命很可能會(huì )變得越來(lái)越難以生存，最終，生物圈將迎來(lái)一個(gè)關(guān)鍵的轉折點(diǎn)——我們這顆星球無(wú)法再支持大多數植物和動(dòng)物的生存。

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根據《自然·地球科學(xué)》上發(fā)表的一項最新研究，這個(gè)轉折點(diǎn)將在未來(lái)約10億年內發(fā)生。研究利用計算機模擬了地球表面碳、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部的相互作用。結果顯示，地球富氧的大氣可能只能再持續約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(guò)程和生物過(guò)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(lèi)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)生了大致相似的結果。

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模擬表明，太陽(yáng)隨著(zhù)時(shí)間的推移會(huì )變得越來(lái)越明亮，釋放出更多熱量。大約10億年后，地球將接收到更多太陽(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。當巖石風(fēng)化時(shí)，二氧化碳從大氣中被抽出，通過(guò)化學(xué)反應被固定在碳酸鹽礦物中。大氣二氧化碳水平開(kāi)始顯著(zhù)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(wàn)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(lái)越弱，大量植物面臨滅頂之災。

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同時(shí)，光合作用的降低意味著(zhù)氧氣生產(chǎn)的減少。伴隨著(zhù)其他大規模地質(zhì)過(guò)程的發(fā)生，氧氣逐漸消失。這幾乎注定標志著(zhù)復雜生命形式的終結——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(guò)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(guò)程。

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最終，地球將變成一顆死氣沉沉的星球。大氣中氧氣含量極低，富含甲烷，還可能出現有機煙霧。臭氧層被剝離，陸地和海洋將暴露在高水平的紫外線(xiàn)中，來(lái)自太陽(yáng)的熱量炙烤著(zhù)地球。除了細菌這樣微小的厭氧生物之外，復雜生命不復存在——地球仿佛回到了動(dòng)植物出現之前的那個(gè)世界。

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?圖解模型結構。| 圖片來(lái)源：Ozaki, K. & Reinhard, C./Nature Geoscience

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即使在對沒(méi)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(cháng)期相互作用帶來(lái)的影響，比如俯沖過(guò)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(guò)程，大氣中的氧氣仍會(huì )面臨相似的結局。

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

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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(wèn)題：我們應該瞄準什么樣的系外行星？地外生命的可靠生物特征又是什么？

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事實(shí)上，當我們談?wù)撔乔蛞司有詴r(shí)，不僅僅是在說(shuō)一顆恒星周?chē)哪硞€(gè)地方，它還包括了行星演化過(guò)程中的某個(gè)時(shí)期。而我們現在所能觀(guān)測到的東西仍然十分有限。

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如果類(lèi)比地球，我們可能需要更廣泛地思考，在地外生命的探索中，我們應當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?chē)墓饷⒅小?/p>

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#創(chuàng )作團隊：

文字：Takeko

設計：雯雯子

#參考來(lái)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(lái)源：

封面圖：NASA


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