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我们每天呼吸空气,几乎从来不会考虑一个问题:如果有一天,地球上的氧气不再充足,人类赖以生存的大气环境会变成什么样?
听起来像科幻电影,但科学家确实研究过这种可能性。
2021年,一项发表在《自然·地球科学》期刊上的研究引起了关注。
日本东邦大学的尾崎和海与美国佐治亚理工学院的克里斯托弗·莱因哈德通过模型模拟发现,地球目前的富氧大气并非永恒存在。
随着太阳逐渐变亮、地球环境持续演化,大气中的氧气未来可能大幅下降,重新接近远古时期的低氧状态。
研究估计,地球富氧大气的持续时间可能还有约10亿年。
这并不是说人类很快就会面临缺氧危机,而是从地球漫长的历史来看,我们习以为常的空气,其实也有自己的演化周期。
一、地球刚诞生时,并没有今天这么多氧气 今天的地球大气中,氧气约占21%。
对于人类和大多数熟悉的陆生动物来说,氧气是维持生命的重要条件。
但如果回到几十亿年前,情况完全不同。
早期地球的大气组成与今天存在明显差异,游离氧气十分稀少。
那时没有今天这样广泛分布的绿色森林,也没有种类繁多的陆生动物,不过,这并不意味着地球上没有生命。
一些早期微生物能够在缺氧环境中生存,依靠不需要氧气的代谢方式获取能量。
后来,能够进行产氧光合作用的微生物出现了。
它们利用阳光,把二氧化碳和水转化为有机物,同时释放氧气。
蓝细菌就是地球早期氧气积累的重要参与者。
不过,氧气产生后,并没有马上充满大气。
早期海洋和地表存在大量能够与氧气发生反应的物质,新产生的氧气首先被这些物质消耗。
直到约24亿年前前后,地球迎来大氧化事件,大气中的氧气开始显著积累。
这是一场改变地球命运的变化。
氧气的增加,为后来许多复杂生命的发展创造了重要条件,也逐渐塑造出我们今天熟悉的地球环境。
换句话说,地球并不是天生就拥有丰富的氧气。
我们今天呼吸的空气,是地球经过漫长演化才形成的。
二、为什么未来的氧气反而可能减少?
既然植物和微生物一直在产生氧气,为什么科学家还认为,地球未来可能重新进入低氧时代?
关键在于,氧气的含量并不是只由植物决定的,而是受到整个地球系统的影响。
太阳正在缓慢演化。
随着时间推移,它的亮度会逐渐增加。
这个过程非常漫长,不会突然发生,却可能在数亿年至数十亿年的尺度上改变地球的气候与碳循环。
二氧化碳是其中一个重要因素。
很多人知道,二氧化碳是温室气体,浓度升高会加剧全球变暖。
但对于植物来说,二氧化碳也是光合作用不可缺少的原料。
在研究所模拟的遥远未来,随着太阳亮度增加,地球长期碳循环可能发生变化,大气中的二氧化碳逐渐受到限制。
植物和其他光合生物的生存条件随之改变,产生氧气的能力也可能下降。
与此同时,地球上的氧气还会被各种化学过程消耗。
当氧气产生量无法抵消消耗量时,大气中的氧气就可能逐渐减少。
可以把它想象成一个不断进水的水池:如果进水量越来越少,而排水仍在继续,水位最终就会下降。
当然,地球远比水池复杂。
实际变化还受到海洋、岩石、火山活动和生命演化等多种因素影响。
因此,研究给出的是模型预测,而不是一份精确到某一年的地球末日时间表。
三、氧气真的会退回25亿年前的水平吗?
这项研究最受关注的结论,就是未来地球可能重新接近早期地球的低氧状态。
研究团队估计,地球大气中氧气含量高于当前水平1%的富氧状态,平均可能持续约10.
8亿年,之后大气氧气可能出现明显下降。
这里需要注意,所谓“退回25亿年前的水平”,指的是大气环境可能重新进入低氧状态,并不代表未来地球会完整重演25亿年前的历史。
研究也没有证明,氧气会按照固定速度逐年减少,更不能据此认定到了某个时间点,地球就会突然失去所有氧气。
真正值得关注的是,氧气下降可能经历相对快速的阶段。
在漫长的地质时间里,地球或许仍然维持着适合复杂生命生存的环境。
但当太阳演化、碳循环和生物活动之间的平衡发生改变后,大气成分就可能出现明显转折。
如果氧气含量大幅下降,人类以及许多依赖氧气进行有氧呼吸的动物,将很难在这样的环境中生存。
不过,这并不意味着地球上所有生命都会消失。
早期地球就存在大量不依赖氧气的微生物,未来即使进入低氧环境,部分微生物仍可能继续生存。
因此,科学家讨论的不是地球必然变成彻底没有生命的死星,而是它可能失去今天这种适合复杂生命繁盛的环境。
四、如果氧气减少,森林和海洋会怎样?
氧气含量的变化,可能牵动整个生态系统。
森林不仅是氧气的来源,也是众多动物的栖息地。
植物生长需要适宜的温度、水分、光照和二氧化碳浓度。
如果未来环境变化使植物难以维持大规模生长,森林的分布和生态结构就可能发生改变。
森林变化,又会影响动物的食物来源和生存空间。
海洋同样如此。
浮游植物通过光合作用参与碳循环,为海洋食物网提供重要的有机物来源。
如果长期环境变化导致海洋初级生产力下降,鱼类、海洋无脊椎动物以及其他生物之间的关系也会受到影响。
但我们不能简
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