研究:對早期地球大氣層的深入了解可幫助識別太陽系以外的生命跡象

根據一項新研究,對地球大氣層的深入了解可以幫助人們識別太陽系以外的生命跡象。地球何時達到足以支持動物生命的氧氣水平?麥吉爾大學的研究人員發現,氧氣水平的上升與複雜的真核生物生態系統的進化和擴張同步發生。他們的發現代表了迄今為止最有力的證據,即極低的氧氣水平對數十億年的進化產生了重要限制。

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“直到現在,我們對早期進化中的環境驅動因素的理解還存在一個關鍵的差距。早期地球的特點是氧氣水平低,直到地表氧氣水平上升到足以供動物生存。但是對這種上升發生時間的預測有十幾億年的差異–甚至可能遠在動物進化之前,”麥吉爾大學地球和行星科學系的博士后研究員Maxwell Lechte說,他在Galen Halverson的指導下進行研究。

為了找到答案,研究人員檢查了來自世界各地沉積在古代沿海環境中的富含鐵的沉積岩。通過分析這些岩石中鐵的化學成分,研究人員能夠估計出岩石形成時的氧氣量,以及它對真核微生物等早期生命的影響。

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“這些鐵石為了解淺海環境的氧氣水平提供了啟示,而淺海環境是生命進化的地方。”與Lechte共同領導這項研究的中國科學院研究員王長樂說:“古代鐵石記錄表明,大約不到現代氧氣水平的1%,這將對生態複雜性產生巨大的影響。”

“這些低氧條件一直持續到大約8億年前,就在我們第一次開始在岩石記錄中看到複雜生態系統崛起的證據時。因此,如果複雜的真核生物在那之前就存在,它們的棲息地就會受到低氧的限制,”Lechte說。

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地球仍然是宇宙中唯一已知的孕育生命的地方。今天,地球的大氣和海洋富含氧氣,但這並不總是如此。地球海洋和大氣的含氧量是光合作用的結果,光合作用是植物和其他生物用來將光轉化為能量的過程–將氧氣釋放到大氣中,為呼吸作用和動物生命創造必要條件。

據研究人員稱,新的發現表明,地球的大氣層能夠在數十億年內保持低水平的大氣氧氣。這對探索太陽系以外的生命跡象具有重要意義,因為尋找大氣中的氧氣痕迹是尋找另一個星球上過去或現在的生命證據的一種方式–或者科學家稱之為生物特徵。

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科學家利用地球的歷史來衡量陸地行星能夠穩定的氧氣水平。研究人員說,如果陸地行星能夠在低大氣氧含量下穩定下來,正如研究結果所表明的那樣,探測氧氣的最佳機會將是尋找其光化學副產品臭氧。

“臭氧強烈地吸收紫外線,使得即使在低大氣含氧量的情況下也能探測到臭氧。”耶魯大學的生物地球化學家Noah Planavsky說:“這項工作強調,天基望遠鏡的紫外線探測將大大增加我們在太陽系以外的行星上找到可能的生命跡象的機會。”

研究人員表示,對這一時期的岩石進行更多的地球化學研究將使科學家能夠更清楚地描繪出這一時期氧氣水平的演變,並更好地了解對全球氧氣循環的反饋作用。