在漫長(zhǎng)的地球歷史演化中，冰河時(shí)代來(lái)了又去，地球氣候交替著一首冰與火之歌，即冰期-間冰期氣候旋回。

冰河世紀(jì)

在每次的冰期旋回中，溫暖濕潤(rùn)的氣候環(huán)境僅僅持續(xù)幾千年，而剩下的幾萬(wàn)年中地球幾乎一直處在一個(gè)有大陸冰蓋存在的寒冷冰期。

每當(dāng)?shù)厍驓夂虬l(fā)生突變時(shí)，地球生命就面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，那么，地球冷熱交替究竟是如何形成的呢？

米蘭·柯維奇

早在20世紀(jì)初，南斯拉夫地球物理學(xué)家米蘭·柯維奇就提出了著名的米蘭科維奇循環(huán)氣候變化理論（Milankovitch cycles），他通過(guò)計(jì)算過(guò)去數(shù)百萬(wàn)年地球的離心率、轉(zhuǎn)軸傾角和軌道的進(jìn)動(dòng)的變化，發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)的變化規(guī)律與地球氣候變化存在一定關(guān)系，并提出地球軌道變化引起的夏季太陽(yáng)輻射的變化是驅(qū)動(dòng)氣候波動(dòng)的主要因素。

地球軌道的變化由三個(gè)主要參數(shù)控制，即軌道偏心率、地軸傾角和歲差，其對(duì)應(yīng)的周期分別為約10萬(wàn)年和40萬(wàn)年、4.1萬(wàn)年、2.1萬(wàn)年。

在地球圍繞自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)和在軌道上繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的過(guò)程中，地球在這些運(yùn)動(dòng)方向上的變化周期性地改變太陽(yáng)輻射抵達(dá)地球的方向和數(shù)量，從而影響了地球的溫度起伏和冰期形成。

1976年，J.D.Hays等人通過(guò)分析髙分辨率和長(zhǎng)時(shí)間尺度的深海巖芯證實(shí)了米蘭科維奇循環(huán)，為進(jìn)一步探索冰期氣候的演變規(guī)律指明了方向。

然而，地球軌道的輕微變化到底如何驅(qū)動(dòng)地球冰期-間冰期氣候旋回的大氣候波動(dòng)呢？近日，發(fā)表在《自然》科學(xué)雜志的上一篇文章給這個(gè)問(wèn)題，提供了一種地球偏心引起地球生物圈和碳循環(huán)變化，從而改變地球氣候的新視角。

地球軌道偏心率

在太陽(yáng)系中，地球繞太陽(yáng)的軌道并不總是完美的圓形軌道，而是橢圓形，平均的離心率是0.028（離心率是測(cè)量橢圓與圓形的偏差）。因?yàn)槭艿侥拘呛屯列遣煌Φ慕换プ饔糜绊?，這種橢圓形軌道也會(huì)發(fā)生變化，周期是10萬(wàn)年和40萬(wàn)年。奇怪的是，在過(guò)去的280 萬(wàn)年的地球歷史中，冰期-間冰期之間的循環(huán)與 100,000 年的地球軌道離心公轉(zhuǎn)離心率同步。

顆石藻

與此同時(shí)，這種周期同時(shí)與海洋中一種廣泛分布的浮游生物——顆石藻的枯榮周期表現(xiàn)出強(qiáng)烈的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，科學(xué)家提出了地球軌道偏心率的變化引起地球植物周期性演化，推動(dòng)了地球大氣中二氧化碳的循化，最終導(dǎo)致地球氣候表現(xiàn)出周期的波動(dòng)。

顆石藻

顆石藻是一種非常古老的微型藻類，在2.15 億年前的三疊紀(jì)級(jí)就登上了地球生命演化的舞臺(tái)，在其單細(xì)胞周圍形成微小的圓粒 ,稱為顆石，這些顆石是由許多微小的方解石薄片組成。在過(guò)去 2.2 億年左右的時(shí)間里，球石藻在海洋碳循環(huán)中發(fā)揮了獨(dú)特的雙重功能。

與所有浮游植物一樣，球藻不僅可以通過(guò)光合作用將海水中溶解的二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，而且可以將二氧化碳變成顆石，即由碳酸鈣組成的外殼。當(dāng)它們死后，顆石藻會(huì)沉入海底，變成石灰?guī)r。據(jù)統(tǒng)計(jì)，顆石藻貢獻(xiàn)了海洋中一半以上的碳酸鹽巖沉積，因此顆石藻在地球碳循環(huán)過(guò)程中占有重要的地位。

顆石藻

因此，研究人員利用全自動(dòng)顯微鏡和人工智能技術(shù)，對(duì)900多萬(wàn)個(gè)顆石進(jìn)行了測(cè)量和分類，這些顆石來(lái)自于熱帶海洋的多個(gè)地點(diǎn)，且具有280萬(wàn)年的時(shí)間跨度。他們發(fā)現(xiàn)，顆石藻的大小和形狀變化具有2個(gè)周期，分別為10萬(wàn)年和40萬(wàn)年，這與地球公轉(zhuǎn)軌道的形狀變化表現(xiàn)出相似的規(guī)律性。

那么地球公轉(zhuǎn)軌道如何影響顆石藻的大小與分布的呢？

萬(wàn)物向陽(yáng)而生，顆石藻亦是如此。

當(dāng)?shù)厍蚶@太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌道的幾何形狀發(fā)生變化時(shí)，地球表面所接受到的來(lái)自太陽(yáng)的輻射能量也隨之發(fā)生改變。

科學(xué)家預(yù)測(cè)當(dāng)?shù)厍蚬D(zhuǎn)軌道更圓、偏心率更低時(shí)，赤道地區(qū)的季節(jié)變化較小，但是中高緯度地區(qū)將處于一個(gè)較低的溫度區(qū)，海洋上主要存在的顆石藻具有中等大小的顆石。

但是在這種情況下，生存環(huán)境的穩(wěn)定并不利于生物的多樣性發(fā)展，甚至可能導(dǎo)致滅絕。這種情況不利于顆石藻對(duì)溶解在海洋中的二氧化碳的吸收，因此大氣中含有較高的溫室氣體，地球溫度處于高溫環(huán)境，地球?qū)⒂瓉?lái)間冰期。

而當(dāng)?shù)厍蜍壍赖钠穆试黾訒r(shí)，赤道附近會(huì)出現(xiàn)多個(gè)季節(jié)，即季節(jié)性氣溫變化增大，中緯度地區(qū)也在不同的季節(jié)迎來(lái)較高的溫度。

此時(shí)，顆石藻的顆石具有一系列不同的粒徑大小，顆石藻的生物多樣性得到擴(kuò)張，在不同的緯度地區(qū)將形成不同的生態(tài)位，海洋中的顆石藻將大量繁殖，導(dǎo)致顆石藻大量吸收大氣中的二氧化碳，溫室氣體濃度降低，有利于地球降溫，地球?qū)⒂瓉?lái)冰期。

總結(jié)

盡管，顆石藻多形性演化可以明顯影響地球碳酸鹽的沉積模式，但單獨(dú)的顆石藻的生產(chǎn)力可能并不能引起地球氣候環(huán)境的冷熱交替。

地球碳循環(huán)

但是別忘了，顆石藻只是浮游植物的一種，其他浮游植物群也可能存在隨地球軌道周期性變化而周期性擴(kuò)張和收縮。在這種情況下，海洋中的浮游植物可能已經(jīng)足夠強(qiáng)大到可以調(diào)節(jié)地球碳循環(huán)，從而改變地球的氣候。

地球軌道變化、浮游植物演化和全球碳循環(huán)之間的這種聯(lián)系，可能是地球冰期-間冰期氣候旋回的原因之一，當(dāng)然，這個(gè)推論還需進(jìn)一步研究。

氣候變暖

探尋過(guò)去氣候變化的原因，嘗試揭示不同時(shí)空尺度生物-地球過(guò)程的協(xié)同作用對(duì)氣候變化的影響，并不僅是因?yàn)楹闷?。以史為鑒，以知興替。只有努力掌握氣候演變的規(guī)律，才能更好地預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)未來(lái)的氣候變化，指引人類可持續(xù)發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)：Beaufort, L., Bolton, C.T., Sarr, AC. et al. Cyclic evolution of phytoplankton forced by changes in tropical seasonality. Nature (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04195-7

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