早期地球对生命来说真的很可怕

　　自大约 45 亿年前形成以来，地球有着漫长而复杂的历史。最初，它是一个熔球，但最终，它冷却并分化了。月球是由地球与名为 Theia 的原行星（可能）碰撞形成的，海洋形成，并且在大约 40 亿年前的某个时间点，出现了简单的生命。
　　这些是粗略的笔触，科学家们一直在努力填写地球历史的详细时间表。但在时间线上有许多重要且难以理解的时期，排列成科学方法的目标。其中之一涉及紫外线辐射及其对早期生命的影响。
　　一项新的研究探讨了紫外线辐射对地球早期生命形式的影响，以及它可能如何塑造了我们的世界。
　　太阳用对生命有害的紫外线辐射轰击地球。紫外线辐射约占太阳辐射的百分之十。大多数不是电离辐射，但它仍然会破坏 DNA，导致晒伤，并导致皮肤癌。
　　对我们来说幸运的是，地球的臭氧层（O3 层）是抵御紫外线辐射的保护屏障。O 3 层在地球表面提供不同程度的紫外线防护，这会随着季节和纬度而变化。总体而言，它可以防止 97% 到 99% 的太阳中频紫外线照射到地球表面。但是臭氧层的有效性取决于地球大气中的氧气含量，并且该含量随着时间的推移而波动。地球大气氧含量最显着的变化发生在大氧化事件（GOE）中，该事件及其对臭氧的影响是这项新研究的重点。
　　新研究的标题是＂地球氧化历史期间臭氧柱的修正下限估计＂。主要作者是博士 Gregory Cooke。利兹大学物理与天文学学院研究员。该论文发表在皇家学会开放科学杂志上。
　　GOE 将地球大气中的氧气含量从接近零提高到今天的水平，大约 21%。那发生在大约 24 亿到 20 亿年前。科学家们将这种上升归因于蓝藻的出现，也称为蓝藻。蓝藻大约在 27 亿年前出现，并利用光合作用产生能量。所有光合作用的副产品是氧气。
　　科学家们说，早在 23.3 亿年前，科学家认为标志着氧气在大气中永久存在的开始的大氧化事件 (GOE) 就开始了。学分：麻省理工学院
　　地球的氧气水平随着时间的推移而波动，但 GOE 是地球氧气水平历史上最重要的事件。另一个名为新元古代氧合事件的事件可能在提高地球氧气水平方面也发挥了重要作用。尽管如此，它并没有像 GOE 那样被充分理解，甚至没有得到认可。但无论如何，随着氧气含量的增加，臭氧也随之增加。
　　先前的研究表明，当氧气含量低至百分之一时，臭氧可以保护地球免受有害辐射。但这项新研究得出了不同的结论。它表明，大气层需要现代地球 5% 到 10% 的氧气来保护生命免受紫外线辐射。这对地球上的早期生命意味着什么？
　　＂这可能对生命的进化产生了迷人的影响。我们知道，如果生命暴露在过多的环境中，紫外线辐射会产生灾难性的影响，＂主要作者库克在新闻稿中说。＂例如，它会导致人类皮肤癌。一些生物体具有有效的防御机制，许多生物体可以修复紫外线辐射造成的一些损害。＂
　　＂虽然增加的紫外线辐射量不会阻止生命的出现或进化，但它可能会起到选择压力的作用，让生物体能够更好地应对更多的紫外线辐射，从而获得优势，＂库克说。
　　地球气候历史模型是本研究的基础。模型表明，先前对表面紫外线水平的估计可能低估了紫外线照射。相反，地球受到的紫外线可能比我们想象的要多十倍。
　　在过去的 24 亿年中，到达地球表面的紫外线辐射水平可能发生了变化。信用：格雷格库克/皇家学会开放科学
　　本研究中的建模与早期的建模工作不同。以前的努力依赖于地球时间氧的一维建模。但这项研究使用了更多的复杂性。该研究使用，一个完整的大气化学气候模型来模拟 在适用于地球的元古代和显生宙条件下 随着 O 2浓度变化的三维 O 3变化，作者在他们的论文中解释道。＂我们展示了氧气对 O 3 <臭氧> 层（其大小和空间变化）的三维影响，并讨论了这如何影响宜居性估计。＂
　　该研究使用了整个大气社区气候模型— WACCM6。WACCM6 结合了大气、陆地、陆地冰、海洋和海冰子模型。该团队在他们的研究中进行了 12 次不同的模拟。
　　这张图片是 WACCM6 地球系统模型的示意图。在这项工作中，WACCM6 使用了完全交互的海洋模型和陆冰、海冰、陆地和大气模型。WACCM6 具有完全耦合的化学和物理，这是一种最先进的湿物理方案，可以模拟工业化前大气中高达约 140 公里的高度。图片来源：库克等人。2022/利兹大学
　　科学家们使用多布森单位来测量大气臭氧水平。一个多布森单位是在 0 摄氏度的温度和 1 个大气压（地球表面的气压）的压力下，产生一层 0.01 毫米厚的纯臭氧层所需的臭氧分子数。
　　该研究中的这张图片显示了地球臭氧柱的密度，以多布森为单位。图像的每个部分都显示了不同大气氧气水平的 DU，以 PAL 或当前大气水平的百分比表示。黄色代表更多的臭氧，紫色代表更少的臭氧。黑色代表臭氧层中的空洞。请注意，每个部分的比例不同。图片来源：库克等人。2022/利兹大学
　　如果地球上的生命暴露在比以前想象的更多的紫外线下，它就会成为自然选择的一个组成部分。以某种方式适应的生物——通过隐藏在地下、修复损坏等——将在没有这些适应的情况下战胜生物。
　　库克说：＂如果我们的模型表明地球氧化历史期间的大气情景，那么在超过十亿年的时间里，地球可能一直沐浴在比以前认为的更强烈的紫外线辐射中。＂
　　＂这可能对生命的进化产生了迷人的影响。目前尚不清楚动物何时出现或它们在海洋或陆地上遇到的情况。然而，根据氧气浓度的不同，动植物可能面临比当今世界更恶劣的条件。我们希望将来可以探索我们结果的全面进化影响。＂
　　关于地球的一切都比一两个简单的因素更复杂。臭氧层的强度以及它保护生命免受紫外线辐射的程度在很大程度上取决于氧气水平。但是还有许多其他因素在起作用，比如大气混合和太阳输出的强度。我们的工业活动和其他生物过程也会影响臭氧层。有兴趣的读者可以详细探讨该主题和论文。
　　这项工作有几个有趣的收获。首先是如果没有足够的紫外线保护，我们就不会在这里，如果早期的生命没有受到更多的紫外线照射，我们也可能不会在这里。我们可以称之为紫外线二分法吗？
　　另一个令人兴奋的收获涉及系外行星以及我们对它们日益增长的兴趣。由于詹姆斯韦伯太空望远镜的发射——万岁！——科学家们将能够更详细地研究系外行星大气。这些大气中氧气和臭氧等气体的存在和数量将帮助我们了解潜在的系外行星宜居性。本研究中的建模可能是解释 JWST 的结果和理解系外行星和生命可能性的难题之一。