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富含氧气,是地球上可以演化出复杂生命体的关键因素,如果大气和海洋里没有氧存在,那么地球上只会有厌氧菌这类生物可以生存。
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/ _3 S/ ~* g7 M" c( ~& D Tips:在标准状况下,两个氧原子结合形成氧气,是一种无色无臭无味的双原子气体,化学式为O2。氧气不仅占了水质量的89%,也占了空气体积的20.9%。
* h# d( T0 j: a9 C- |/ x 如果真是这样,地球可能会像火星那样荒凉。不过好在地球依旧处于富氧状态中,如今的大气里含有21%的氧气,供陆地上的所有动植物呼吸。这个氧含量对于现在的生物来说不多不少,如果氧含量偏多或者偏少,对生物来说都是致命的威胁。 , L9 x8 s. H3 @
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Tips:火星Mars,是离太阳第四近的行星。火星的橘红色外表是因为地表被赤铁矿(氧化铁)覆盖,大气以二氧化碳为主,既稀薄又寒冷,没有稳定的液态水。
1 E' S8 R0 w+ |* o 值得注意的是,地球大气中的氧含量并不是一成不变的,在历史上氧气含量比现在多或者少的情况都有出现。当然,比起过去我们更担心未来,科学家通过模拟计算,已经得出了一个让人绝望的答案,地球可能发生颠覆性转变!大气氧含量在未来将重回24亿年前。
; W7 d5 o5 u2 U& ]3 | O 地球大气一直在变
0 ^ s5 ?; P( l) E# k4 s( ] 为什么会提到24亿年前?因为当时的地球还是一片死寂,构成地球大气的主要成分,是甲烷。这是由于大量厌氧菌呼吸作用产生的,原始的海洋中呈现暗红色,整片大陆都是光秃秃的一片,毫无生机。 ( y! _& N9 t: M/ F. B8 L: [$ x
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Tips:甲烷是最简单的有机物,也是含碳量最小,含氢量最大的烃。甲烷在自然界的分布很广,是天然气,沼气,坑气等的主要成分,俗称瓦斯。 9 A, D% @7 \+ E# @" M* \
改变这一现状的是蓝藻的出现,它们可以通过光合作用释放大量的氧气,并且把二氧化碳固定下来变成能量。在它们统治海洋之后,也就是24.5亿年前,地球大气中的氧含量开始以每年0.02%的速度上升,并在23亿年前达到稳定。 ! O6 P; j; C! i4 @ @/ i1 u
这时,原本统治地球的厌氧菌缩进了地球一隅,鱼类和植物开始出现,地球才进入了生物的黄金时代。到了10亿年前,植物和温暖的环境让大气氧含量再次走高,在2.9亿年前达到了巅峰的35%左右,巨型生物开始出现并统治地球。
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) U5 V" S$ v/ n$ k. s! S Tips:蓝藻又名蓝绿藻,是一类进化历史悠久、革兰氏染色阴性、无鞭毛、含叶绿素a,但不含叶绿体、能进行产氧性光合作用的大型单细胞原核生物。 : |, U2 h: p g# \ g
在此之后,由于某些原因,地球大气中的氧含量开始走下坡路,直到现在维持在21%的稳定状态。未来的大气到底会怎样变化,会不会不再适宜人类居住?这个问题一直困扰着学者。因为大气变化的因素多种多样,如果漏掉了哪怕一点,计算出来的结果也会有非常大的偏差。
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" G I& ~; Q: [6 } Tips:地球科学Geoscience,7大基础学科之一,是以地球系统(包括大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和日地空间)的过程与变化及其相互作用为研究对象的基础学科。 : E9 P- M4 U) w. b+ _
学术期刊《自然地球科学》发表了一项研究,研究人员经过模拟,发现地球的氧气含量将在10亿年后开始暴跌,回到24亿年前氧气极度缺乏的时期。这是为什么呢? % Q6 K B f# p& N
为什么氧含量会突然跌落?
* J( [/ R& u+ L* ~ L2 q3 P4 D 为了模拟地球未来的大气变化模型,研究人员进行了详尽的生物圈建模分析。主要因素包含以下几个方面,绿色植物的光合作用,以及大气中的二氧化碳浓度,还有气候温度以及厌氧菌的变化。经过不断地调整优化,研究人员进过40万次的计算机模拟,得到了十分可信的模拟结果。
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4 I$ l* b. {0 n& ~: g" q1 }9 H" z Tips:厌氧菌anaerobic bacteria也叫厌气菌。是一类在无氧条件下比在有氧环境中生长好的细菌,这类细菌缺乏完整的代谢酶体系,其能量代谢以无氧发酵的方式进行。
+ \1 N: y& ~! }* L 在10亿年后,地球大气中的氧含量会突然巨变,只剩0.3%左右,相当于24亿年前厌氧菌统治地球的环境。 4 B% a5 j3 p# u" t
为什么会突然跌落?研究人员认为,这是太阳变化的结果。 / r) @3 X$ M6 [. W* {2 Q
和过去蓝藻覆盖海洋不同,如今地球上制造氧气最多的是绿色植物,它们通过光合作用,把空气中的二氧化碳转变为淀粉、水和氧气。所以,如果大气中二氧化碳浓度变低的话,植物的光合作用就会变慢。
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+ f c1 i1 |& Q" B Tips:全球气候变暖是由于温室效应不断积累,导致地气系统吸收与发射的能量不平衡,能量不断在地气系统累积,从而导致温度上升,造成全球气候变暖。 ) v0 j1 z C. P) D& P
未来二氧化碳浓度会降低?这在我们看来是个违背常识的谬论,现在全世界都在提倡节能减排,就是为了防止二氧化碳浓度增高加速全球变暖。其实浓度减低并不意味着二氧化碳的量变少了,而是大气中其他成分增多稀释了二氧化碳,才导致了这样的变化。 2 E$ [ Q: P" T% L5 w M
导致这一变化的罪魁祸首就是太阳,它的聚变反应会越来越不稳定,所以发出的热辐射会越来越强。这会让地球在未来被持续加热,结果引发连锁反应。炎热的气候会让地球大气膨胀,更加稀薄,而且地表中的气体会大量释放,导致大气成分发生改变。
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Tips:核聚变nuclear fusion,又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。太阳是依靠核聚变不断产生热量和光亮的。 太阳主要是由氢元素和氦元素组成的,所以只能进行核聚变。
4 @/ q4 a8 \, w, a% G3 Y 其中最典型的例子就是西伯利亚冰原中的大量甲烷气体,这种温室效应比二氧化碳还要强20多倍的温室气体会加速地球升温,更多气体从地表被释放出来,导致二氧化碳浓度大幅下降。高温加上二氧化碳含量减少,植物会在短时间内快速死亡,这时厌氧菌重新在地球上大量繁殖。
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Tips:温室效应,又称“花房效应”。太阳短波通过大气到达地面,地表受热后放出的长波热辐射线被大气吸收,使地表与低层大气温度增高,因其作用类似于栽培农作物的温室,故名温室效应。
9 K- ]" v* W) S, W5 f s 它们的呼吸作用会释放出大量甲烷气体进一步加速温度升高,让原本生机勃勃的地球回归24亿年前的景象。到这时,别说人类,任何复杂的多细胞生物都不可能存活下来。也就是说,留给人类的时间,最长只有10亿年了。 $ m% R. t' X* K- u# B/ m* a0 A% N7 ~
大气威胁可能比预想要近
) q! B. P( @3 ]& p 对人类来说,10亿年实在是太漫长了,简直到了杞人忧天的程度。自从一万年前冰河世纪结束,人类进入农业文明之后,发展出现在发达的文明,我们只用了几千年的时间。再给我们十亿年的时间准备,就是征服整个宇宙都是可能完成的,到时候一个小小的地球又怎么可能左右人类呢? & X$ F# W; \4 z6 x& R k+ b. h
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6 F. O; e* M: Z2 P B5 { Tips:工业4.0则是利用信息化技术促进产业变革的时代,也就是智能化时代。“工业4.0”是德国联邦教研部与联邦经济技术部在2013年汉诺威工业博览会上提出的概念。
% Z' h& B: o& V: M' B: m 但就像一开始讲到的,这类气候模型有一个致命的缺点,就是哪怕漏掉了一个小小的因素,预测结果都会出现大幅偏差。也许地球大气剧变的时间比模拟的要短得多,比如只有短短的几百年,那么就确实需要引起我们的警觉。或者和预测相反,地球大气氧含量将会大幅提高,这对我们来说也是不小的威胁,其中起决定性作用的还是太阳。 7 ]* v% u5 H4 @% p
在我们眼中,太阳一直都是一个稳定发热的恒星,虽然未来的25亿年间,太阳的温度会缓慢升高,最后衰弱变成红巨星吞噬地球。但总体来说,这种变化非常缓慢,至少千年内应该不会对地球造成什么大的影响。不过事实并非如此,太阳一直处于波动状态。其中最著名的就是太阳黑子的变化周期。 2 f O1 ^" p3 O# h& l! u5 x: j
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8 v% O' y9 t X Tips:恒星演化是恒星在生命过程中所经历急遽变化的序列。恒星的演化开始于巨分子云,成年期时形成主序星,中年期时形成红巨星,晚年根据质量不同形成白矮星、中子星或黑洞。
( T* Q! e" X" c 学者早就发现,太阳黑子会有11年一个周期的变化。太阳黑子越多,就表明太阳更加活跃,黑子变少甚至没有,就说明太阳活动减弱,这被称为蒙德极小期,有可能引发地球气温下降。比如说在明清时期,地球就经历过一次小冰期,大范围降温导致我国粮食减产,导致农民起义频发,被认为是明朝衰落的一个重要因素。
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Tips:“小冰河期”顾名思义指的是相对而言较冷的时期。历史上的“小冰河期”都导致了地球气温大幅度下降,使全球粮食大幅度减产,由此引发社会剧烈动荡,人口锐减。
: ~) ]" o3 @+ G5 T% ?5 G( f1 ? 目前人类只发现了11年一周期的太阳变化,但这并意味着太阳的变化规律如此简单。也许这颗恒星还有时间跨度更大的周期性变化,只不过人类观察太阳的时间太短而没有发现罢了。 ' ^2 Z; Z' C k. D, S
目前,学者已经得出统一的结论,认为气候变暖是正在发生的现象,而且其中影响最大的是太阳。至于人类到底会不会加速全球变暖,到现在还在讨论之中。有人认为,人类燃烧化石燃料释放的二氧化碳总量,远远小于全世界动植物呼吸作用产生的二氧化碳,所以不会加速全球变暖。 8 e7 q0 [* u3 F3 K6 D
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Tips:化石燃料也称矿石燃料,是一种烃或烃的衍生物的混合物,其包括的天然资源为煤炭、石油和天然气等,是由死去的有机物和植物在地下分解而形成的,是不可再生资源。
' @* O0 R' Z! e6 D: S 地球会像预测的那样,是太阳变化导致地球升温,导致植物灭绝,厌氧菌再次统治世界。但大多数学者并不赞同这个说法。因为人类燃烧的化石燃料,正好是过去动植物固定在地层里的碳,这和自然状态下产生的二氧化碳有着本质的区别。 ; W, j6 n; f6 f9 ^. w7 q+ K
现在我们认为,煤炭和石油,是过去生物遗体在高温高压下形成的物质。这些物质来自于植物光合作用,在食物链中循环。植物用来把太阳能和二氧化碳变成淀粉,食草动物吃掉植物转化成肉,再被食肉动物吃掉。这些动植物身体里的碳是植物数亿年来光合作用的结晶,不应该被人类释放出来。这样讲也颇有道理,只不过谁对谁错,也只能留给学者去争论。
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5 c. H+ S9 m( ~. z; u, M Tips:光合作用,通常是指绿色植物(包括藻类)吸收光能,把二氧化碳和水合成富能有机物,同时释放氧气的过程。 / D0 S8 q$ Z( W$ P. p
我们只知道,地球温度可能会持续升高,最差的结果就是氧含量急剧下降,导致全球物种大灭绝。至于太阳会不会突然发威,以及人类会多大程度地加速变暖过程,我们并不知道。也许,这个过程可能只需要短短数十年的时间。 2 U4 s) a1 f! f! O$ U: B4 o( S
又或者,大气中的氧含量反而会增高,这对我们来说是好事还是坏事呢? * p% Z8 w, |! G3 j! B j
如果氧气含量不降反升会怎么样?
5 N( x* a$ R0 T 氧气其实也不是越多越好,它是一把双刃剑,如果含量增高就会在体内产生大量自由基破坏基因,我们的寿命反而会开始下降。这个影响对新生儿更加直观,高浓度的氧气会破坏新生儿不成熟的视网膜,有可能致盲,或者视野缺失,看东西会有黑色的斑点。
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) n' X6 ^; [7 m$ [( m8 M Tips:冰河期Ice Age,是在地质历史上曾经出现过气候寒冷的大规模冰川活动的时期。这种冰期曾经有过三次,即前寒武晚期、石炭-二叠纪和第四纪。
4 t- p; f$ k" Q( A% a5 C0 a 有研究显示,氧气含量增高会破坏温室效应,导致地球大范围降温而进入冰河纪。如果大气中氧含量达到35%,那么全球的平均气温会降到-3度,就连赤道附近都会形成冰川。这在历史上也曾发生过,大约在7.17亿年前,地球变成了一个大雪球,持续了上千年的时间。 : }' T5 a' ~, E) [0 Q9 q$ {
就算地球中氧含量只提高4%,达到25%,人类统治地球的时候都有可能终结。因为高浓度的氧气会让昆虫向超大体型演化,出现1米长的蜻蜓和其他巨型生物。到那时,我们这类弱小的哺乳动物只会成为他们的盘中大餐。
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$ ~1 @: v- _! \ Tips:二叠纪Permian period是古生代的最后一个纪,也是重要的成煤期。二叠纪开始于距今约2.99亿年,延至2.5亿年,共经历了4500万年。
) s$ K0 x R- F* H* s' c 6000万年前的二叠纪正好如此,哺乳动物大多数都是小型啮齿类,只敢在黑夜出来活动。所以现在大多数哺乳动物都是色盲,只有爱吃水果的灵长类除外。而且氧气含量变高也会增加山火爆发的几率,有可能一道闪电下来就会引发森林大火。 " A5 p( C) M, R, N4 A
所以对我们来说,21%的氧气含量实在是难容可贵,多点或者少点,我们生存的环境都会发生巨变。
. B$ r |3 |' A* A# V- x6 N 结语: 0 c- L* I& ]4 O7 l& N& Y
通过上面的例子,相信大家已经清楚明白了如今的大气有多么珍贵。太阳温度改变,或者温室效应增加,都会让地球的氧气含量大幅变化。 3 Q; h0 b* ~2 ?1 N4 ^! p
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Tips:地球大气层是在地球引力作用下,大量气体聚集在地球周围,形成数千公里的大气层。气体密度随离地面高度的增加而变得愈来愈稀薄。
7 i8 h5 N1 F- i6 j 生态系统非常脆弱,只要一个环节出错就有可能带来灾祸。比如说有学者认为,只要蜜蜂灭绝,大量需要传粉的植物也会跟着灭亡,结果可不是粮食减产那么简单,而是整个生物链的崩溃。 * z8 s8 e: a+ n1 R1 P+ p2 j
这次学者做出的十亿年预测,只是一个小小的警钟,我们应该从中看到自身的脆弱。地球并不在乎大气中的成分到底是什么,氧气含量多还是少都无所谓,但对人类来说却是生死存亡的指标。
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Tips:生态系统ecosystem,指在自然界的一定的空间内,生物与环境构成统一整体。生物与环境之间相互影响、相互制约,并在一定时期内处于相对稳定的动平衡状态。 , j3 G- c5 Z1 ~. Q' |* }7 |4 z
如今,我们只能希望人类对环境的影响没有那么可怕,并且祈祷太阳不会突然之间变得火爆。防患于未然并不是杞人忧天,等到灾难即将发生,而人类却一无所知的时候,才是最可怕的。 7 F/ a1 h. M0 V) Y# j
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