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地质史上有哪些鲜为人知却影响深远的事件?

博物致知沈梦溪 / 知乎

知乎用户,一个正在学习博物学的人。

雪球地球事件!

累积持续时间超过 2000 万年,温度低至 -50℃,生命几乎死绝,但是这次事件之后就是寒武纪生命大爆发,可能我们现代生物的出现都是全靠这次事件的影响。

1.什么是雪球地球事件?

在 7.2 亿年 -6.35 亿年之间,地球经历了两次非常大的冰期,这两次大的冰期持续的时间都超过一千万年,而且甚至有科学家很激进地认为,在这两次冰期间,地球上的平均温度一度达到零下 50℃,整个地球都被厚度超过 100 米的冰雪覆盖[1],这就是雪球地球这个名字的来历。我用游戏模拟了一下这个状态:

2.雪球地球事件中灭绝的是哪些生物?

在雪球地球事件发生的时候,地球上的生命基本上都是一些单细胞生物,它们个头微小,用肉眼几乎看不见,所以遗留下来的化石证据也非常少,正因为这一点,没人把这次事件看作是生物大灭绝事件,但是这并不代表这次生物大灭绝不存在!

在雪球地球事件发生的时候,地球上的生物多样性很低,可能主要是一些原核生物,比如在深海生活化能自养型细菌、厌氧光合作用细菌、需氧光合作用细菌(典型代表是蓝绿藻)等;同时还有少量的真核生物,比如红藻、褐藻,以及团藻等[2]。

在长达千万年的冰雪封冻中,以光合作用为主的生物显然会大量灭绝,只有少数能够找到合适的地点(比如火山附近、赤道附近小片水域等)从而存活下来,而那些宏观底栖藻类也注定要大面积灭绝的。

地球生命在这一次事件中可能几欲灭绝,但是还好撑过来了。

3.雪球地球的成因是什么?

有些理论认为是板块运动导致的[4]。在大约 9 亿年前,地球上可能存在一个超级大陆:罗迪尼亚大陆,这块大陆集中了几乎所有的陆地,从赤道一路延伸到极地。

从 8.7 亿年前开水,这块大陆开始解体,解体形成了大量分散的小板块,这些板块的出现大大增加了地球上浅海的面积,而那时候生物生活的主要地带就是浅海,因此浅海面积的扩大极大增加了生物的数量,这些生物在光合作用过程中消耗大量 CO2。

从 7.5 亿年前开始,解体的罗迪尼亚大陆重新汇聚,形成冈瓦纳超大陆,在这个过程中火山活动活跃,板块汇聚带来的造山运动也非常强烈。

造山运动让地势迅速抬升,这让地表受到风化的面积增加,而赤道附近又是湿热的地带,风化作用很强烈,岩石在风化过程中与大气中的 CO2 发生反应,消耗了大量的 CO2。化学式可以表示如下:

CaSiO3+CO2=CaCO3↓+SiO2↓ (CaSiO3 代表岩石的成分)

火山活动喷发出来的玄武岩也是一种比较容易被风化的岩石,在玄武岩的风化过程中也消耗了大量的 CO2。

在这种持续消耗 CO2 的过程中,地球上 CO2 含量的迅速降低,大家都知道 CO2 是温室气体,它增加将会导致增温,它减少则会导致降温。当地球上 CO2 迅速减少之后,带来的后果就是大降温。最终,地球被冰层覆盖,极端情况下平均温度在 -50°C 左右。这就是雪球地球的成因。

4.雪球地球是如何结束的?

理论上讲,当冰川扩张到纬度 30°以下之后,地球降温将会是一个无法挽回的结局,因为冰川对于阳光的反射率极大(海水反射率 1%,陆地反射率 30%,冰川反射率 60%),能够将绝大部分阳光反射回去,随着冰川面积增加,地球越来越吸收不到阳光,也就越来越冷,这其实是一个恶性循环·····

但是!地球上有岩浆活动,火山爆发会持续释放出 CO2,经过成千上万年的累积,地球上的 CO2 含量迅速增加,这样,地球上温度重新升高,冰层融化,地球重回正常模式。

5.为什么说雪球地球事件影响深远?

第一点,影响了生物多样性。在雪球地球情况下,绝大部分生物迅速死亡,只有极少数生物在火山附近或者是极少数未结冰的海域苟延残喘,这些地点往往相隔甚远,就好像一个个孤岛,生物们被隔离封闭在这些环境不同的孤岛中独自进化,为后面的生命多样性积蓄能量。

还记得达尔文笔下的加拉帕戈斯的地雀吗?地理隔离导致了生殖隔离,为了适应不同的环境,分布在加拉帕戈斯群岛的地雀由一个祖先演化成不同的类型:

雪球地球事件中,冰层就起了这么一个隔离和选择的作用,微生物们为了适应不同的环境,迅速演化成不同的种类;此外,极端寒冷的气候条件和这一时间段内的强紫外线辐射,可能促进或加速来了生物的变异和突变,从而形成新的物种。

最终,当冰层消失,这些微生物们重新生活在一起之后,BOOM!不同的生命开始如百花绽放一样出现在地球上了。

第二点,为后续生命快速发展提供了物质基础。雪球地球事件中,冰川对于岩石的研磨作用会在冰川消失时将大量的岩石碎屑带入海中,这些岩石碎屑中含有大量的磷元素等微量元素,这些元素对于冰川消退后藻类的兴盛起了重要的作用,而作为初级生产力,藻类的兴盛无疑能够带动整个生态系统的大爆发。

参考文献

[1]王叶,延晓冬.新元古代地球气候研究进展[J].气候与环境研究,2011,16(03):399-406.

[2]张同钢,储雪蕾,陈孟莪,张启锐,冯连君.新元古代全球冰川事件对早期生物演化的影响[J].地学前缘,2002(03):49-56.

[3]刘傲然. 河北怀来新元古代青白口纪龙凤山宏观藻类生物群特征与地质意义[D].中国地质大学,2018.

[4]叶云涛,王华建,翟俪娜,周文喜,王晓梅,张水昌,吴朝东.新元古代重大地质事件及其与生物演化的耦合关系[J].沉积学报,2017,35(02):203-216.