探寻23亿年前的故事 细菌曾把地球变成一个大雪球
中新网2005年8月3日电 据科技日报报道，美国科学家提出，23亿年前，一种细菌曾使地球成为一个大雪球。多年来，地质学家收集到的证据一直表明，地球曾在几种偶然情况下呈现过一种全球结冰状态，冰层甚至覆盖赤道，可能对生物产生了极大破坏后果。但这种被称之为“雪球地球”的理论，一直缺少合理解释。现在，最初提出“雪球地球”理论的美国加州理工学院研究小组提出，造成早期地球成为大雪球的“罪犯”，很可能只是一种普通细菌，它释放氧气，最终破坏了可使地球保持温暖的关键气体。
在新出版的《美国家科学院学报》上，由加州理工学院研究生库伯、其导师柯什文克教授、麻省理工学院研究生希尔伯恩和纳什组成的研究小组提出，在23亿年前，一种叫蓝菌或称蓝绿藻的细菌突然发育出分解水及释放氧气的能力，最终破坏了当时大气中丰富的温室气体甲烷，使全球气候完全失常。当时，年轻太阳的亮度仅为现在的85%，地球平均温度与目前的平均温度相近。很多研究人员认为，这种状态是由于甲烷十分丰富，大气中的甲烷和氧不稳定结合，在自然界长期反应，产生二氧化碳和水。尽管二氧化碳也是温室气体，但甲烷可造成几十倍的温室效应。
研究小组说，当蓝菌发育出第一种能在光合作用下采水的生物，并将氧释放到大气中后，问题就发生了。更多的原始细菌依赖于可溶铁或硫化物，以用于光合作用，在光合作用中转向分解水，使细菌几乎在有光和营养物的地方生长。很多专家认为这是在地球38亿年前至27亿年前的早期发生的，但加州理工学院研究人员在岩石中没有找到证据，能证明细菌转向分解水发生于23亿年前，即古原生代“雪球地球”被引发时期。
当蓝菌引发“雪球地球”时，必须有充足的像磷和铁等关键营养物的供应，对细菌来说，幸运的是地球23亿年前已进入适度冷时期，这反应在加拿大冰河期形成的岩石。对加拿大岩石磁化强度的测量证明，它们当时可能处于中纬度。冰河作用将大陆物质磨成粉末，并将其带进海洋，使海洋富于营养。一旦蓝菌发育出这种释氧能力，它们就将局部的冰河作用变成了全球性的冰河作用。
库伯说：“冰河的更大范围将使蓝菌很快地控制地球上的生物，并开始释放大量氧气。”这种情况对气候是不利的，因为氧气使甲烷很不稳定。库伯和柯什文克的模型表明，在少至10万年的时间内，温室效应可能已被破坏。地球没有了甲烷，全球温度下降到零下50摄氏度。
地球进入冰河期后变得十分寒冷，赤道海洋被大约一英里厚的冰层覆盖，大量生物死亡，只有转入地下或在热温泉中的生物才得以生存下来。
柯什文克等人还证明了一个机制，借助这一机制，地球才能摆脱“雪球地球”。在发生“雪球地球”的大约几千万年后，二氧化碳积聚到一定程度，另外一次温室效应发生了，地球温度又反弹到50摄氏度，冰层逐渐融化，生命重返地球。
柯什文克说：“如果目前地球环境继续恶化，地球仍能成为‘雪球’。如果它再次发生，地球上的所有生物有可能会被再次摧毁。”(张孟军)
转摘 萧楠:冰封的地球—史上最壮观的冰河时代
原文见:>>>
最近一次冰河时代结束于1万多年前，在那次冰河时代，冰川从两极一直向赤道地区延伸，在纽约这样纬度的地区，冰层竟也厚达1公里，那是个很寒冷的时代，我们人类的祖先就亲眼见证过这个时代。但是，在遥远的过去，在人类最古老的脊索动物祖先还没出现的时代，曾经有过一次持续时间更长、更为寒冷、也更为壮观的宏大的冰河时代，整个地球在那个时代都被冻结成一个巨大的雪球。
这个冰河时代的名称是瓦兰吉尔冰期(Varanger glaciation)，Joseph Kirschvink在1992年给它起了个形象的名字——雪球地球(Snowball Earth)。对于这段历史的发现是在上世纪60年代由剑桥地质学家W. Brian Harland做出，他在研究7亿年前的岩石时发现它们都和冰有过接触，一些上面有冰川的划痕，其他的则从冰山的底部落入洋底，而这些岩石来自世界各地，包括那些非常靠近赤道的地方，这很奇怪，因为很难想象在赤道的海平面地区居然也会出现冰。他虽然通过研究很快得出结论在7.5亿年前到5.8亿年前有过大规模冰川运动，但是根据过去的经验，其他世代的冰川从来都不会遍及所有大陆，即使在最严重的冰期赤道附近的大陆上也很难找到冰。
Harland由此提出了现在被称为雪球地球的假说，并由他和Rudwick、Hambrey、Kirschvink 以及Hoffman等人在其后的几十年中不断深化。这个假说认为，地球在距今7.5亿年到5.8亿年前经历了一次极其严重而漫长的冰河时代，当时不仅陆地全部被冰川覆盖，而且海洋也被完全冻结，只靠来自地球核心的热量才使得液态的水在一公里厚的冰层下存在，为古老的原核生物和原生生物保留了一片生存的空间。从太空看，地球已经完全成为一个巨大的雪球。
就在Harland开始创立他的假说的时期，苏联科学家M.I. Budyko也通过对地球气候模型的模拟演化验证出，如果冰帽从极地延伸到纬度60度，也就是说到赤道的1/3的路程时，会很快往回退缩回去。但如果冰帽能延伸到2/3的路程也就是说30度的话，就会触发失控的链式反应，因为冰雪是一种良好的反光体，当延伸到纬度30度的时候，就基本是直着面对太阳，同高纬度的倾斜角度比，会大大增加反射回去的太阳能量，从而使地球冷下去，增加冰雪的覆盖范围，然后再进一步加剧这个过程，直到冰帽从南北两个方向汇合到赤道。
不过当时的科学家并不相信地球曾经发生过这种事情，因为按照这个机理，一旦地球冻结，就将永远都无法解冻；而且要是全部冻结，生命也将由于缺乏阳光而全部消失。但这显然不是事实，所以他们认为前提不成立，地球一定没有被全部冻结过。但是其后发现的一些事实却支持着全球冻结的观点。
其一是富铁的矿石。在地球富氧的大气层中，铁会自然锈蚀。含铁丰富的矿石只有在缺乏氧气的环境下才能出现，而在理论中地球冻结的时代也的确能发现这样的富铁矿藏，雪球地球假说的支持者认为是由于冰川的覆盖隔绝了氧气，才使得它们能够形成。加拿大Mackenzie山脉和这个时期对应的地层中的铁矿带，中间含有冰碛物。
其二是发现了一些冰川沉积物下面紧挨着石灰岩，或者是石灰岩混在冰碛物中，而石灰岩通常是靠近热带地区富含碳酸氢钙温暖的水所产生的沉积物，这说明冰川的确到达了热带地区，所以覆盖在石灰岩地层上，或者是冰川把石灰岩割裂，使其碎片混合到冰碛物中。
其三是在这个时期浅海地层中出现了碳-13的极低值，自然界中碳的同位素中碳-12和碳-13最多，进行光合作用的海洋生物更喜欢利用含碳-12的二氧化碳，从而有机体中的碳-13比作为无机物的碳酸钙中的碳-13含量低2.5%。这样，如果一个海底地层中有机物堆积得多，碳-12就多，反之如果碳-13多，就说明沉积的主要是碳酸钙而有机物沉积少，这个时期的生命活动就少。这个时期的碳-13极低值说明的确有过大规模的生物灭绝的出现(碳-13达到低谷的最低值说明此后碳-13含量开始回升，必然意味着冰期已经结束，生命活动已经逐步恢复，所以瓦兰吉尔冰期末期的碳-13达到极低值的时间也被作为埃迪卡拉生物群兴盛的埃迪卡拉纪的开始)。
其四是之后生命的突然繁盛，早期雪球地球假说的支持者把寒武纪生命大爆发作为证据，现在则以紧接着这个时期出现的埃迪卡拉生物群的兴盛作为证据，他们认为埃迪卡拉纪多细胞生物的突然大规模出现是因为某种抑制生命发展的外界环境因素的消失，而这个外界环境因素就是瓦兰吉尔冰期的极度严寒。
有关雪球地球的最初成因，预计和当时的板块运动有关。在大约10亿年前，全球所有的陆地汇聚到一起，形成了一个超级大陆罗迪尼亚(Rodinia)，罗迪尼亚这个名字来自保加利亚语和俄语中“故土”(Homeland)这个词汇。这个超级大陆位于赤道地区，大陆的这种分布导致硅酸盐岩石风化加快，大量吸收大气中的二氧化碳转化成碳酸盐岩石。大气中二氧化碳的减少降低温室效应，导致气温下降。
现代的大陆分布使得低纬度地区海洋多，高纬度地区陆地多，和罗迪尼亚超级大陆的时代正好相反。由于水的比热容最大，所以热带海洋是热量的储存库，这样，现代的分布状态能够良好地调节气候，而罗迪尼亚超级大陆的时代则不能。而且现代的分布方式使得高纬度地区一旦开始冰封，就覆盖大陆停止岩石的风化，减少对二氧化碳的消耗，而罗迪尼亚超级大陆的时代高纬度地区开始冰封只覆盖海洋，不影响罗迪尼亚的岩石风化。这样，那时的世界就缺乏一个自我平衡机制。在罗迪尼亚形5千万年后，也就是9.5亿年前，积累的效果就使得现在的刚果河盆地附近出现了冰川，并继续恶化下去，直到最后使地球变成大雪球。
雪球地球假说的支持者认为，变成雪球的地球由于被大冰川覆盖了大陆，使得硅酸盐岩石无法再风化，就无法再吸收二氧化碳，而大气中的二氧化碳由于亿万年中火山爆发等因素的积累，重新达到一定的浓度，终于使温室效应重新发挥作用，而此时罗迪尼亚超级大陆已经在7.5亿年前重新分裂成8块，要等到二叠纪才会重新汇聚成新的超级大陆盘古大陆(Pangea)。到瓦兰吉尔冰期结束的5.8亿年前，大片陆地已经漂移到高纬度地区，不会再产生之前的大幅度吸收二氧化碳的效果。
雪球地球假说支持者提出的二氧化碳浓度升高也得到了验证。
根据计算，要让强烈反射阳光的雪球地球解冻，大气中的二氧化碳浓度必须达到我们今天呼吸的大气中的二氧化碳浓度的350倍，达到这样的浓度后，积累的热量就可以让赤道地区的海洋解冻，从而出现一条深色条带，增加太阳能的吸收效率，这样，增加吸收太阳能就加在二氧化碳的温室效应之上，进一步加大热量，并让更北的地区解冻，从而进一步循环。这同样是一种链式反映，将在一个很短的地质时期完成解冻过程，用的时间可能还不到1千年。
这时，地球就能够下雨了，雨水将把大气中丰富的二氧化碳变成弱碳酸带到地面，并和裸露的硅酸盐岩石反应，使岩石表面变成碳酸盐，碳酸盐的岩石很容易风化碎裂，碎片会被冲刷入海洋并沉积下来形成厚厚的碳酸盐岩石地层，而这样的岩层不难被发现。
上面的照片由雪球地球假说的坚定支持者Hoffman同Schrag拍摄于纳米比亚的骷髅海岸(Skeleton Coast)，靠下面标出的两条白线之间是瓦兰吉尔冰期的冰川沉积物，其上一直到最上方的白线处都是厚厚的碳酸盐岩石地层
雪球地球假说并非没有遇到挑战，对于如何解释低纬度地区出现的冰川遗迹，Williams在1975年提出观点认为当时的地球轨道倾角和现在不同，不是目前的大约20度而是达到了大约54度，使得太阳更多地照耀两极而不是赤道地区，从而使得赤道地区出现冰川。但这个解释在解决了问题的同时却遇到了更大的障碍，虽然地球自转轴会出现小幅度倾斜而几万年后又重新恢复正常的确有其物理基础，但象Williams设想中的如此巨大的倾斜却难以解释，而且根据对现代和当时的趋日叠层结构(heliotropic stromatolites)分析，证明8亿年前地球的自转轴倾角和今天差不多。
还有一些解释并非针对雪球地球，而是对产生机理有新的解释。一种认为当时的太阳光度比现在弱大约6%，使得那时候的地球更容易遇到冰期。有关太阳正在缓慢地变热倒可以解释为什么那之后地球再没有遇到这样的冰期，但是有说服力的地质证据表明，在那之前的10亿年内却一直没有出现过这样的全球冻结，而按照这个理论那时侯太阳甚至更“冷”。不过在更早的时候，在23亿-22亿年前的确还有一次全球冻结的冰期，是另外一次雪球地球。“冷”太阳可以算是对那次雪球地球的一种解释，但更可信的解释是，当时的机理是由于大气中氧气的出现，氧气的出现会使得原始大气中的甲烷迅速减少，而甲烷是非常好的温室气体，这个过程必然导致全球气温的大幅度下降。
