5億多年前的生物瀕臨滅絕之險:地核固體化增強磁層強度得以化解
2020-11-23 前瞻網5億多年前的生物瀕臨滅絕之險：地核固體化增強磁層強度得以化解
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大約5.65億年前，地球上的生命逃過一劫。前段時間發表在《自然地球科學》雜誌上的一項研究表示，地磁層——一個像保護罩一樣包圍著地球的磁場——當時已經退化到有史以來的最低強度。如果沒有這個保護罩，地球可能會被來自太陽的侵蝕大氣的爆發摧毀，然後逐漸失去大部分的空氣和水，直到變得像今天的火星一樣乾燥荒涼。
該研究的作者說，後來地球內部深處進行的一個過程幫助恢復了磁層的強度。即地球的液態鐵內核的結晶過程，地球物理學家將其稱為「成核」過程。一旦內核變成固體，旋轉的地核就像一個旋轉的發電機，增強了包裹著地球的電磁保護罩，從而避免了對整個地球的破壞。這轉而又為寒武紀生命大爆發創造了條件。寒武紀爆發發生於大約5.41億年前，當時生物圈突然經歷了地球歷史上最大規模的進化擴張。
約翰·塔都諾(John Tarduno)是美國羅切斯特大學的地球物理學家。他和同事觀察了魁北克省七島群島(Sept-Îles)上一片火成巖中古代矽酸鹽晶體中的磁粒子，以此來測量5億多年前的地球磁場。上湧巖漿在到達地表之前冷卻從而形成成片火成巖。隨著巖漿冷卻，當時地球磁場強度的證據便被「鎖」在這些晶體中。
塔都諾通過加熱火成巖中的單晶體使其失去磁性，然後在磁場的作用下再加熱使其磁化，從而確定當時的地球磁場強度。研究人員對約75000年間的晶體冷卻的的磁層強度進行了平均計算，得出大約5.65億年前的磁層強度約是現在的十分之一——這一發現與獨立研究認為的磁層在地質時期緩慢而穩定的增強相一致。塔都諾和他的同事推測，地球成長中的內核是磁層強度增加的原因。當內核結晶時，鐵和其他重元素落到其中心，而內核的外部區域則變成了一層由較輕元素組成的液體層，引發了使地球發電機(地核)發揮作用的長期對流。
未參與該研究的科學家表示，對地球古老磁場的了解本就不多，也不確定。美國約翰霍普金斯大學的地球物理學家扎比內·斯坦利(Sabine Stanley)說道：「獲取早期古地磁樣本非常重要，因為我們的相關數據極少。目前，上述研究發現的只是特定時間間隔上的一個數據點。」雖然她指出，磁層在過去5億多年裡強度明顯增加，確實支持了研究人員的分析;但她還是認為需要更多的數據點。厄瓜多Yachay理工大學(Yachay Tech University)的地球物理學家埃莉莎(Elisa Piispa)告誡道，塔都諾小組使用的單晶方法來測量磁場強度尚未被普遍接受。她說：「古地磁學界的一些主要研究人員對此方法持懷疑態度。」德克薩斯大學奧斯汀分校的研究員克裡斯塔·索德倫德(Krista Soderlund)說，塔都諾小組的結果與其他幾個關於地核熱演化的模型以及大量其他古地磁觀測結果一致。
塔都諾和他的同事發現的磁場減弱現象與大約5.42億年前的埃迪卡拉紀末期滅絕事件(end-Ediacaran extinction)大致同時發生。該事件發生在寒武紀爆發之前，造成了原始生物、底棲固著生長生物以及海洋生物的大量滅絕。2016年，羅馬薩皮恩扎大學的地質學家卡洛•多格裡奧尼(Carlo Doglioni)提出，寒武紀之所以出現了大量新的生命形式，部分原因在於磁層強度不斷增強。他說：「埃迪卡拉紀之後，磁偶極子增加。我們之所以有一個優良密集的大氣層來保護我們免受電離輻射，是因為我們有一個優良強大的磁場。」化石證據表明，一些生物通過在海底掘洞藏身，才能在埃迪卡拉紀末期滅絕事件後存活下來。已經滅絕的埃迪卡拉紀固定生物群就不具備掘洞這一特徵。2016年，佛羅裡達大學地質學家約瑟夫·米爾特(Joseph Meert)進行的一項研究認為，造成埃迪卡拉紀末期滅絕事件的罪魁禍首是有害的紫外線和宇宙射線，它們在穿過了古地球減弱的磁場以及變薄的大氣層後，到達地表。他說:「當保護罩分崩離析後，埃迪卡拉紀的生物就滅絕了，為後來的寒武紀大爆發騰出了生態空間。」
塔都諾認為應該審慎得出上述結論。他表示:「該假說的問題在於，地質記錄中支持它的證據少之又少。如果我們看一下其他時間的嚴重磁弱，有的都到了磁場倒轉的程度。所以磁弱的周期非常短，可能只有幾百到幾千年。
米爾特承認，其他時期的磁不穩定與滅絕事件不是明顯相關。他說:「但地球磁場在很長一段時間內整體變弱導致了物種滅絕，這也是事實。我的看法是，這種弱磁場存在的時期貫穿埃迪卡拉紀到寒武紀早期，所以時間比一般磁弱的周期要長一些。」
塔都諾說，儘管失去了磁場的保護，地球的大氣層和埃迪卡拉紀時期的生物生活的海洋都提供了足夠的保護，使生物免受有害輻射的傷害。但是米爾特注意到埃迪卡拉紀在陸地植物出現之前就已經存在了，這些陸地植物合成的有機物(糖類等)遍布現代水域;所以可能是埃迪卡拉紀海洋的海水過於清澈，使得紫外線輻射能夠到達海底深處。米爾特說:「水確實能減弱紫外線，但它並不是萬靈藥。紫外線可以穿透水到達大約10米深的地方。很多埃迪卡拉紀時期的動物可能生活在更淺的水域。」
英國利物浦大學的地球科學家考特尼(Courtney Sprain)沒有參與以上任何研究，但她覺得需要更多的資料來確定埃迪卡拉紀末期滅絕事件的起因。她說：「我認為未來有辦法更進一步理解這一事件。」她指出，一種方法是確定當時世界各地的磁場是否都減弱了，還是說這種現象只局限在七島群島周圍。另一點是更準確地界定磁層變化的時間範圍。
最後，考特尼說道確定埃迪卡拉紀滅絕事件的起因對理解此後生命的進化至關重要。她補充說:「這對當今地球的狀況、我們所看到的地球氣候的近代變化以及幫助我們理解人類現在的所作所為是否有可能造成大規模的生態崩潰，都具有重要意義。它有助於我們推測自己的未來。」
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