我们星球变化的轨道帮助生命度过了“雪球地球”

虽然想象赤道上有冰可能很困难，但有令人信服的证据表明，地球的陆地和海洋曾经被冰覆盖，或者至少大部分被冰覆盖——这一事件被称为“雪球地球”。

澳大利亚南部弗林德斯山脉的岩石中藏有这次极端冰河时期的线索。在构造力将海洋底部的山脉抬升到今天的高度之前，冰川携带的巨石从远处被带到这里并在此处沉积。巨石沉积在离赤道仅几度的范围内，这只能说明一件事；地球历史上的某个时刻，冰占据了低纬度地区。

对这些岩石的分析表明，雪球地球的条件始于大约 7 亿年前，持续了近 6000 万年，结束于地球生命大爆发之前。但近一个世纪以来，一个问题困扰着研究人员：早期生命是如何在这种情况下生存下来的？巨大的冰盖将水与大气隔绝，海洋中几乎没有供生物生存的氧气。

条带状铁建造

为了回答这个问题，一个研究团队转向了一种被称为条带状铁建造（BIFs）的富含铁和二氧化硅的沉积岩层，这些岩层在雪球地球时期沉积在海洋中，现在在弗林德斯山脉被发现。

中国科学院北京地质学家、一项新研究的首席作者罗斯·米切尔（Ross Mitchell）说：“在所有雪球时期的岩石中，BIFs 是唯一像冰芯一样——海底一个持续的录音机，记录了雪球地球期间发生的事情的线索。”这项研究发表在《自然-通讯》上。

BIFs 的形成是由于海冰层阻止了大气和海洋之间的氧气交换，使得海底火山喷发出的铁在海水中积累。然而，周期性的二氧化硅层表明，也必然存在氧气的脉冲。

米切尔说：“像这样的层在海洋完全被冰封时不会形成。”

为了研究在雪球地球时期氧气是如何进入海洋的，他和他的同事们测量了 BIFs 在暴露于磁场时磁化的程度。他们发现，地球轨道变化（称为米兰科维奇循环）的时间与岩层变化的时间很好地吻合。

BIFs 和米兰科维奇循环

米兰科维奇循环指的是地球轨道形状、倾角和摆动在数万年间发生的周期性变化。这些变化影响地球相对于太阳的位置以及到达其表面的太阳辐射量，从而影响地球气候。

对最新发现的一种可能的解释是，米兰科维奇循环导致冰盖随着入射太阳辐射的变化而有节奏地进退。这可以解释为什么像弗林德斯山脉的岩石那样，BIFs 的沉积层和冰川沉积物会交替出现。

研究人员报告说，BIFs 在四年多的时间里，在数百次冰川进退期间沉积。“我们的新数据显示，冰川退缩开辟了无冰区域，使氧气能够混合到海洋中，从而使生命得以在雪球地球时期存活下来，”米切尔说。

着陆线

雪球地球经历了多次冰川进退，使氧气得以在海洋中持续存在，从而使生命得以生存的理论，与现有的理论非常吻合。

在大陆冰盖前进期间，上方冰层的压力导致冰川下方的融化。在着陆线（冰盖与海洋相遇的地方），融水进入海洋——以及在结冰时作为气泡被困在其中的任何氧气。

来自世界各地的沉积物为这一现象在雪球地球时期发生提供了证据。麦吉尔大学（加拿大魁北克省）的地质学家加伦·哈尔弗森（Galen Halverson）说，这个过程本质上是一个“氧气泵”，与今天次冰川湖中发生的情况类似。他没有参与这项研究。

哈尔弗森和他的研究团队在 2019 年的一项研究中检查了 BIFs，他们发现富氧融水与富铁海水在着陆线的汇合，可能提供了足够的能量来维持生命。由于地球轨道循环导致的冰的进退，可能在雪球地球时期打开了更多的海洋区域，并对着陆线的氧气泵做出了贡献。

哈尔弗森说：“我看不出为什么这两种（想法）不能共存。BIFs 是我们从雪球地球时期遗留下来的关键线索，它们有助于解释氧气是如何存在于海洋中，并使藻类等生命得以生存。”