氧氣大量出現之前,早期地球因光合作用產生的氣體保持溫暖

作者 | 發布日期 2018 年 01 月 21 日 0:00 | 分類 天文 , 自然科學 follow us in feedly

黯淡太陽悖論(faint young sun paradox)一直是引起科學家廣泛辯論的主題,也是地球或與地球相似的系外行星的氣候調節,變得長期穩定適合生物生長的重要分歧點。為了找到其中原因,科學家 Chris Reinhard 等人對此進行了一系列研究,研究成果近日發表於科學期刊《Nature Geoscience》。



Reinhard 是 NASA 天體生物學(astrobiology)研究所的類地球(Alternative Earths)研究計畫主持人,這項研究計畫希望能了解地球早期大氣的氧化還原情形,當作尋找系外行星的參考,甚至在日後讓人類得以在其他星球定居。

「黯淡太陽悖論」是指距今大約 30 億年前,當時太陽的能量比現在弱 25%,但地質學證據卻顯示當時的地球比現在還要溫暖的現象。對此,最常見的解釋是當時地球大氣層可能有更高濃度的溫室氣體,但這種解釋又會衍生出兩個大問題,究竟是哪種溫室氣體?又為什麼有那麼高的含量?不管是地質學、化學或生物學的各類型指標都顯示,不同的原因會導致大氣層氣體組成有差異。

為了解釋這項悖論,了解地球早期的生物型態對當時大氣層的影響,Reinhardt 帶領研究團隊進行一系列研究,研究團隊認為當時生物還沒有演化出足夠產生氧氣的光合作用能力。

研究團隊結合了不同的大氣組成假設所形成的不同生態系統,以全球氧化還原平衡狀態,模擬演化早期比較原始的光合作用過程,在生化以及氣候層面的影響。模擬結果顯示,有兩種類型的生物體能進行不產氧光合作用(Anoxygenic photosynthesis)產生足夠的甲烷,讓當時早期地球的表面溫度就算太陽能量較低也能維持溫暖。其中一類生物能代謝氫氣,另一類能將鐵氧化,同時結合兩種作用,才會產生足夠熱量,在過去氧氣不充足的條件下扮演相當重要的角色。

雖然現在光合作用已是製造氧氣的主要來源,但由於氧氣直到近 20 億年才大量存在於大氣層,而能產生氧氣的光合作用,從什麼時候開始出現一直是個未解之謎。20 億年前的地球大氣中游離氧突然大量增加的大氧化事件(Great Oxygenation Event),可能就是由於光合作用開始製造氧氣導致,但也有可能生產氧氣的光合作用更早以前就已出現,只是影響力有限,讓大氣層的氧氣當時仍不充足,到後來才因其他原因增多。如果真實情況比較符合第二種假設,那麼大氧化事件的成因就比較可能是因為地殼變動造成。

Reinhardt 及 NASA 之所以對這項問題感興趣,是因為如果第二種情況為真,那麼這些資訊就能幫助我們了解早期地球的氧氣循環,了解鐵元素在這些過程中的重要性等,為爭議已久的問題提出新觀點。除此之外,了解地球大氣層氧氣增加的過程以及早期生物對大氣層的影響,也能幫助我們辨認其他星球可能有生物的特徵。

(首圖來源:pixabay