原文 | Evan Gough
翻譯 | Linvo
地球自大約45億年前形成以來，經曆了漫長而複雜的曆史。最初它是一個熔融狀的球，後來它冷卻并分化。（譯者注：行星的分化指的是根據行星體的實體或化學行為，将内部成分分離出來的過程。）月球是由地球和一顆原行星碰撞而形成的。随後海洋形成了，在某個時間點（大約40億年前）簡單生命出現了。
這些都是大緻的輪廓，科學家們一直在努力完善地球曆史的詳細時間表。但是，在這個時間軸上，有許多重要的、人們不太了解的時期。其中一個，就是關于紫外線輻射及其對早期生命的影響。
一項新的研究探索了紫外線輻射對地球早期生命形式的影響，以及它如何塑造我們的世界。
太陽用紫外線輻射轟擊地球，這對生命是有害的。紫外線輻射大約占來自太陽輻射的10%。其中大部分不屬于電離輻射，但它仍會損害DNA，導緻曬傷和皮膚癌。
幸運的是，地球的臭氧層是抵禦紫外線的屏障。臭氧層在地球表面提供不同程度的紫外線保護，随着季節和緯度的變化而變化。總的來說，它能阻止97%~99%的中頻紫外線照射到地球表面。但是，臭氧層的有效性取決于地球大氣中的氧含量，而這一含量會随着時間的流逝而波動。地球大氣中氧含量最顯著的變化發生在“大氧化事件(GOE)”，而這一事件及其對臭氧的影響是這項新研究的重點。
這項新研究的标題是“修正地球氧化史中關于臭氧含量的較低估值”。該研究的主要作者是格雷戈裡·庫克，他是利茲大學實體和天文學學院的博士研究員。這篇論文發表在《皇家學會開放科學》雜志上。
GOE使地球大氣中的氧氣含量從接近于零的水準上升到現在的大約21%，這一切發生在大約20~24億年前。科學家将這一現象歸因于藍藻（被稱為藍綠藻）的出現。藍藻出現在27億年前，利用光合作用産生能量。光合作用的副産品就是氧氣。
早在23.3億年前，大氧化事件（GOE）就開始了，科學家們認為這一時期标志着氧氣開始永久存在于大氣中。
地球的氧氣水準随時間的推移而上下波動，但GOE是曆史上地球氧氣水準最重要的事件。另一個被命名為“新元古代氧化”的事件可能也在提高地球氧氣方面發揮了重要作用。然而，它并不像GOE那樣被充分了解，甚至沒有得到一緻認可。但無論如何，随着氧氣含量的增加，臭氧也随之增加。
先前的研究表明，當氧氣水準低至1%時，臭氧可以保護地球免受有害輻射。但這項新研究得出了一個不同的結論。它表明：大氣需要現在地球5%~10%的氧氣來保護生命免受紫外線輻射。
這對地球上的早期生命意味着什麼?
“這可能對生命的演化産生了令人着迷的影響。”
“我們知道，如果生命暴露在過多的紫外線輻射下，會産生災難性的影響，”第一作者庫克在一份新聞稿中說。“例如，它可能導緻人類皮膚癌。一些生物體有有效的防禦機制，許多生物體可以修複紫外線輻射造成的一些損害。”
庫克說：“雖然增加的紫外線輻射不會阻止生命的出現或進化，但它可以作為一種選擇壓力，更好地促使受到更多紫外線輻射的生物體獲得優勢。”
地球氣候曆史模型是這項研究的基礎。這些模型表明：以前對地球表面紫外線水準的估計可能低估了紫外線照射。相反，地球受到的紫外線可能比我們想象的要多十倍。
在過去的24億年裡，到達地球表面的紫外線輻射水準可能發生了變化。
本研究中的模組化與早期的模組化不同。之前的研究依賴于地球氧氣的一維模型。但是這項研究考慮了更多的複雜性。作者在他們的論文中解釋說，這項研究使用“……一個完整的大氣化學-氣候模型來模拟在适用于地球的元古代和顯生宙條件下三維臭氧随氧氣濃度變化的變化”。“我們展示了氧氣對臭氧層的三維影響（其大小和空間變化），并讨論了這如何影響适居性（生命在地表生存的能力）的估計。”
該研究使用了“完整大氣群落氣候模型（WACCM6）”。WACCM6結合了大氣、陸地、海洋、陸冰和海冰等子模型。該團隊在他們的研究中進行了12個不同的模拟。
WACCM6地球系統模型示意圖。
科學家使用“多布森機關”來測量大氣臭氧水準。1多布森機關是在0攝氏度的溫度和1個大氣壓下，生成一層0.01毫米厚的純臭氧所需的臭氧分子數。
該圖顯示了地球臭氧含量密度的多布森機關。
如果地球上的生命暴露在比之前想象的更多的紫外線下，它就會成為自然選擇的一個組成部分。那些以某種方式适應的生物（比如隐藏在地下、修複損傷等等），如果沒有這些适應能力，則無法戰勝其他生物。
庫克說：“如果我們的模型顯示了地球氧化曆史中的大氣情景，那麼在超過10億年的時間裡，地球可能沐浴在比以前認為的更強烈的紫外線輻射中。”
“這可能對生命的進化産生了令人着迷的影響。動物何時出現，以及它們在海洋或陸地上遇到了什麼樣的環境，我們不得而知。然而，根據氧氣濃度的不同，動物和植物可能會面臨比今天更嚴酷的環境。我們希望我們的研究結果對進化的影響能夠在未來得到全面的探索。”
關于地球的一切都比一兩個簡單的因素要複雜得多。臭氧層的強度及其保護生命免受紫外線輻射的能力，在很大程度上取決于氧氣水準。但還有許多其他因素也在起作用，比如大氣混合和太陽輸出的強度。我們的工業活動和其他生物過程也會影響臭氧層。感興趣的讀者可以去看原始論文。
這項工作有幾個有趣的收獲：首先，如果沒有足夠的紫外線保護，我們就不會在這裡；如果早期生命沒有遭受更多的紫外線，我們也可能不會在這裡。那我們可以叫它“紫外線的兩面性”嗎?
另一個令人興奮的發現是關于系外行星以及我們對它們越來越濃厚的興趣。感謝詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）的發射，科學家們将能夠更詳細地研究系外行星的大氣。這些大氣中氧氣和臭氧等氣體的存在和數量，将幫助我們了解系外行星的潛在宜居性。這項研究中的模組化或許是解釋JWST的結果以及了解系外行星和生命可能性謎題的一部分。
原文：
https://www.universetoday.com/153972/the-early-earth-was-really-horrible-for-life/