大約24億(yi) 年前，地球發生了一次翻天覆地的變化。那時，大氧化事件發生，氧氣開始在地球大氣中累積。盡管這一事件對當時的地球生命來說是災難性的，但卻為(wei) 後來多細胞生命的出現創造了新的機遇。

在地球的大部分曆史時期中，氧氣很可能一直保持在相當低的水平。直到約4億(yi) 年前陸地植物進化之後，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(wei) 地球生命的關(guan) 鍵要素，支持著有氧呼吸的複雜生命形式在這顆星球上蓬勃發展。

但科學家一直清楚的是，地球並不會(hui) 永遠保持這種支持生命發展的能力。地球是一顆動態的星球，更重要的是，太陽並非一成不變的。隨著太陽變得越來越熱，地球生命很可能會(hui) 變得越來越難以生存，最終，生物圈將迎來一個(ge) 關(guan) 鍵的轉折點——我們(men) 這顆星球無法再支持大多數植物和動物的生存。

根據《自然·地球科學》上發表的一項最新研究，這個(ge) 轉折點將在未來約10億(yi) 年內(nei) 發生。研究利用計算機模擬了地球表麵碳、氧、磷和硫循環的演變，並研究了氣候變化和地球表麵與(yu) 地球內(nei) 部的相互作用。結果顯示，地球富氧的大氣可能隻能再持續約10.8億(yi) 年。

在模擬中，研究人員納入了描述氣候演變、地質過程和生物過程的各種變量，以及描述太陽活動的關(guan) 鍵變量。研究模擬了兩(liang) 種理論情景，包括有活躍生物圈的類地行星，和不存在活躍生物圈的行星。有趣的是，兩(liang) 種情況產(chan) 生了大致相似的結果。

模擬表明，太陽隨著時間的推移會(hui) 變得越來越明亮，釋放出更多熱量。大約10億(yi) 年後，地球將接收到更多太陽能。這種能量的增加產(chan) 生了明顯影響，比如，它會(hui) 加速玄武岩和花崗岩等矽酸鹽岩石的風化。當岩石風化時，二氧化碳從(cong) 大氣中被抽出，通過化學反應被固定在碳酸鹽礦物中。大氣二氧化碳水平開始顯著下降。

然而二氧化碳和水是植物進行光合作用所需的關(guan) 鍵成分之一。在大約一萬(wan) 年的時間裏，二氧化碳就會(hui) 大幅減少，光合作用隨之越來越弱，大量植物麵臨(lin) 滅頂之災。

同時，光合作用的降低意味著氧氣生產(chan) 的減少。伴隨著其他大規模地質過程的發生，氧氣逐漸消失。這幾乎注定標誌著複雜生命形式的終結——由於(yu) 大氣中缺乏可供呼吸的氣體(ti) ，許多陸地和海洋生物很快滅絕。模擬還顯示，在這一過程中，大氣中甲烷水平會(hui) 不斷升高，這實際上會(hui) 加速生物死亡的過程。

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中，來自太陽的熱量炙烤著地球。除了細菌這樣微小的厭氧生物之外，複雜生命不複存在——地球仿佛回到了動植物出現之前的那個(ge) 世界。

 圖解模型結構。| 圖片來源：Ozaki, K. & Reinhard, C./Nature Geoscience

即使在對沒有活躍生物圈的行星的模擬中，由於(yu) 地幔和地表環境之間的長期相互作用帶來的影響，比如俯衝(chong) 過程使岩石進入地幔，火山從(cong) 地幔中釋放的氣體(ti) 等地球化學過程，大氣中的氧氣仍會(hui) 麵臨(lin) 相似的結局。

為(wei) 什麽(me) 這一結果非常重要？想象一下，如果我們(men) 是來自另一個(ge) 世界的外星人，通過在係外行星的大氣中尋找氧氣和臭氧，來搜尋生命的跡象。如果儀(yi) 器在20億(yi) 年後或20億(yi) 年前掃描過地球，我們(men) 可能會(hui) 得到一個(ge) “假陰性”的結果——這顆行星缺乏可靠的“生物信號”。

這正是天文學家和行星科學家如今麵臨(lin) 的問題：我們(men) 應該瞄準什麽(me) 樣的係外行星？地外生命的可靠生物特征又是什麽(me) ？

事實上，當我們(men) 談論星球宜居性時，不僅(jin) 僅(jin) 是在說一顆恒星周圍的某個(ge) 地方，它還包括了行星演化過程中的某個(ge) 時期。而我們(men) 現在所能觀測到的東(dong) 西仍然十分有限。

如果類比地球，我們(men) 可能需要更廣泛地思考，在地外生命的探索中，我們(men) 應當在係外行星的大氣中尋找哪些氣體(ti) ，並且重新思考這些氣體(ti) 可能包含的意義(yi) 。

我們(men) 需要更好地了解地球大氣隨時間演化的曆史，以及我們(men) 星球的表麵和內(nei) 部是如何一起演化的。隻有這樣，我們(men) 才能確定是否有生命存活在其他恒星周圍的光芒中。

#創作團隊：

文字：Takeko

設計：雯雯子

#參考來源：

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

#圖片來源：

封麵圖：NASA


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