22億年前的小行星解凍了冰封的地球,或潛藏著生命起源之謎?

近日,科學家確定了澳大利亞的雅拉布巴隕石坑(Yarrabubba)為22億年前,一個小行星撞擊地球時留下的。這個隕石坑比科學家發現的20億年前,最古老的隕石坑——南非弗裡德堡隕石坑,還早了2億年。這次隕石坑的發現,很有可能解開地球如何在最可怕時期,即二十多億年前的「雪球地球」(Snowball Earth),重新綻放,生命得以倖存的謎團。

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雪球地球(Snowball Earth)

如果22億年前,外星人來到地球附近看到地球,並不會認為這顆星球此時有高等生物的存在,因為當時的地球並不是我們熟悉的藍色大理石的紋路,而是一顆死寂又冰冷的白色雪球。

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這樣的地球科學家把它叫做「雪球地球」,我們可以把它理解為冰河時期的升級版。指的是地球出現的極端冷的氣候事件,氣溫低到零下40~60℃,冰川從兩極一直蔓延到赤道。

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二十多億年前的「雪球」是地質史上最嚴重也是持續時間最長的雪球,它是地球演化中的重要轉折點,跟後期大量生物的形成息息相關,這顆雪球就像人類的叛逆期,是地球早期成長的必經之路。

雪球的形成

  • 地球的形成

46億年前,超新星爆炸,擾動了一片巨大的分子云,形成了超密度區。在中心,大量星雲匯聚並坍縮的形成了一個高密度球體,隨著壓力與溫度的升高,內部發生了核聚變,太陽誕生了。

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而地球及其他行星則是太陽形成時,剩下的“邊角料”,由於靜電力,互相撞擊吸積及引力塌縮逐漸形成的。在地球形成的初期,由於太陽系中還存在著大量的隕石及碎片,不停地與地球發生碰撞摩擦、吞噬,地球就像一顆火球一樣,表面充斥著高溫的岩漿。而在高溫物質分離的狀態下,以液態鐵為主的金屬元素在引力的作用下慢慢流入內部。

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  • 大氣與磁場

45億年前,地球開始冷卻凝固,慢慢形成了堅硬的岩石,但還是千瘡百孔。由於內部高溫高壓,所以會通過作為孔洞的大量火山頻頻爆發宣洩一下,噴發的同時釋放出大量水汽、二氧化碳、氮,這些氣體就是地球最早的大氣層,我們管它叫次生大氣。

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  • 生命的誕生

水汽蒸發的同時又會帶走大量的熱,加速地表冷卻。隨著地表溫度不斷下降,火山還有隕石、行星帶來的水蒸氣的積累,於是地球下了一場延續上萬年的雨,海洋出現了。大量的微生物也在40億年前,就在海底的火山口悄悄誕生了。

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  • 磁場形成

海底暗流湧動,海面之外是強大的太陽風在不停地摧毀我們的大氣,直到35億年前地熱散到了一定程度,當地心外核中的熔融鐵開始散熱,發生了對流運動,形成了電流,磁場出現了,並幫助大氣抵禦太陽風的侵襲。地球與大氣穩定了下來同時,也伴隨著穩定的陽光的來臨,於是藍藻演化出來了,開始了它的光合作用,形成了氧氣,並在太陽紫外線的加工下形成臭氧。

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  • 氧氣出現

有了穩定的大氣層,就可以鎖住地球的氧氣,藍藻開始與厭氧的古細菌進行博弈,隨著氧氣的產生以及古菌產生溫室氣體時所需金屬逐漸減少,最終藍藻獲勝,於是氧氣不停地進行累積。

地球大氣氧氣增加示意圖. 紅線與綠線表示估計的範圍,以十億年(Ga)為單位↓

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  • 大氧化事件

藍藻不停地吸收溫室氣體二氧化碳的同時,它產生的氧氣也不安分。氧氣對古菌產生的溫室氣體甲烷進行氧化,雖然也生成溫室氣體二氧化碳,不過前者的溫室效應是後者的20多倍。

陸地上的岩石也受到氧氣的侵蝕,形成碳酸鈣,消耗了大量的二氧化碳。

CaSiO3+CO2→CaCO3+SiO2

可以看出無論是厭氧菌的滅亡,光合作用,還是氧化最終結果都是固定住碳元素,於是溫室氣體大量減少,氧氣含量逐漸升高,大氧化事件發生。

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  • 休倫冰期

24億年前,隨著大氧化事件的發生,地球平均溫度逐漸下降,冰川從兩極向赤道逐漸蔓延,形成了地球上最嚴重並且持續時間最長的一次冰期——休倫冰期,地球變成一顆“雪球”。

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雪球的融化

冰期持續到21億前年,然而科學家們對冰球如何融化,提出了幾個牽強的假說,遲遲無解。1979年,有科學家在澳大利亞西部雅拉布巴地區,發現了隕石坑,但並未測得其年齡。直到近日《自然通訊》一份研究公佈了這個隕石坑的年齡。科廷大學的研究人員收集了隕石坑附近,被小行星撞擊形成的細小鋯石和獨居石,並對其進行分析。由於衝擊會造成衝擊物再結晶,而獨居石中含有微量的鈾,利用同位素測定法,根據鈾的衰變速率估算出小行星撞擊時間約為22.29億年前,誤差為正負500萬年。

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巧不巧的這個時間正好與無解的休倫冰期的結束時期接近,於是科學家對這顆隕石撞擊過程進行了電腦模擬,發現令人震驚的結果。撞擊竟能使厚厚的冰層釋放出海量水蒸氣,並捲入大氣層中。

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而水蒸氣也是一種溫室氣體,相比二氧化碳產生的溫室效應更顯著。很可能是它開始在大氣中捕獲熱量,從而促使全球氣候變暖,雪球逐漸解凍。目前這只是一個推測,還需要科學家進一步研究及發現更多的線索來確認。

22億年前的小行星解凍了冰封的地球,或潛藏著生命起源之謎?

救星

這顆雪球的形成離不開磁場的形成、大氣層形成、氧氣的形成,這些都是生命的存在的根本。雪球的解凍促使了真核生物的爆發以及後面一連串的生命演化,是地球生命史上的關鍵事件,而這顆小行星很有可能是地球的救星,可見小行星也不見得都是:壞的

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