那一天，人們終於回想起大氣曾被細菌吃掉一半的恐怖
本文作者:溯鷹
相較於賴以立足的行星，生物的尺度真的太小了。從時間上看，短則數天長不過幾百年，與地球四十六億年相比不過是轉瞬之間的須臾；而從空間上看，哪怕整個生物圈，甚至連「地球的薄膜」都算不上，充其量也不過是「薄膜之上的塵埃」。生命如戲，世界是舞台，演員就算再賣力，也不能對舞台奈何分毫吧。
但如果新研究告訴你，細菌，這種最不起眼的生命形態，曾經吃掉了一半的地球大氣，很久之後才又吐了出來呢？
今天濃厚而多姿的地球大氣，與幾十億年前地球大氣的真實模樣可能大徑相庭。圖片來源：Wikipedia
講故事的小氣泡
地球能有生命，極大程度上要拜大氣層所賜——沒有大氣，就會像月球那樣遭遇晝夜溫差兩三百度的慘劇。這些氣體主要來自地球內部，但是等到地球從初始的動蕩里穩定下來之後，就很難有什麼地質過程能大規模釋放氣體了。所以從那時起直到今天，地球應該一直有一個濃密的大氣層，對吧？
結果不對。2016年5月，華盛頓大學的桑綽伊.索姆（Sanjoy Som）等人在《自然?地球科學》（Nature Geoscience）上發表研究說，地球曾經歷過一個「超薄」時期，大氣層不到今日一半大氣壓的水平。
足足半個星球的大氣是被誰吃了？又是怎麼吐出來的呢？如此重大的事件，被扒出來的地方，居然是在芝麻粒兒大小的…小泡泡裡面。
索姆教授的團隊在澳大利亞發現了一套30億年前的熔岩。在這些熔岩表層，有一些已經被沉澱物充填踏實的小氣泡。小泡泡倒不是什麼新鮮的事情，熔岩是一種成分複雜的液體，裡面溶解了大量的氣體物質。當熔岩噴出地表之後，由於溫度和壓力的降低，這些溶解在熔岩中的氣體不免會釋放出來，然而，熔岩本身粘度很大，有時候氣泡還沒有完全跑出來，熔岩就凝固了，於是氣泡便被封印在了凝固的熔岩流中。氣泡里的氣體物質會隨著溫度的冷卻慢慢結晶沉澱，直到把整個氣泡填滿，看上去就像一個個白杏仁一樣。這樣的熔岩形態，在岩石學家那裡有一個很形象的名詞來稱呼它，即所謂的杏仁構造（Amygdaloidal Structure）。
杏仁狀構造的熔岩切片，白色的杏仁狀物質便是沉澱物填滿的氣孔，這些氣孔在冷凝時被封存在熔岩之內。圖片來源：blogs.agu.org. 拍攝者：地質學家Evelyn Mervine，2007；標本採集地點：Ninetyeast Ridge, Indian Ocean
正交光下的杏仁構造玄武岩，中間的「杏仁」被塞進了其他礦物，和外圈玄武岩明顯不同。圖片來源：micro.magnet.fsu.edu
熔岩里有泡泡並不奇怪，但誰能主導泡泡能不能溢出、溢出的泡泡有多大——就是我們該關注的重點了。說白了，大氣壓說了算。30億年前的熔岩，30億年前的大氣壓說了算。
而計算的結果就是，30億年前的大氣層只有今天一半不到的水平。
吃掉大氣層的微生物
足足一半的大氣沒有了，這可不是小事；大氣中氧氣的含量才五分之一而已啊。這麼大規模的變化，那嫌疑人只能是大氣層最主要的一種成分：氮氣。
氮氣（N2，Nitrogen），一種大家並不陌生的氣體。從液氮冰淇淋到充氮啤酒，生活中似乎時不時都能看到這種氣體存在的痕迹，但其實這都不是氮氣真正刷存在感的地方。氮氣真正「大秀身材」的地方，是地球的大氣層。我們平時呼吸的空氣里，有幾乎80%都是氮氣。至於氧氣，其實只佔了差不多20%左右；然後剩下的1%才是什麼二氧化碳啊等雜質。所以，說氮氣是今天大氣層的絕對主角，似乎一點也不過分。它的化學性質很穩定，你點燃不了它，呼吸進去之後也無法被我們的身體所利用。比起靠氧化還原反應（Redox reaction）統治了大半部地球演化史的氧氣，氮氣似乎永遠都是那個不聲不響的低調角色。
真的不聲不響嗎？那是針對咱們這些靠氧氣呼吸的生物來說的。要是擱到細菌的世界裡，可能就要換一種說法了。
大量研究已經表明，早在太古宙時候，地球上已經有細菌生存的跡象了。這些太古細菌的「食譜」很古怪。它們可以直接攝取大氣中的氮氣，通過把氮氣（其中的氮為零價態）還原成氨（NH3，N為-3價態）來直接合成生物界里最重要的一種建材——也就是我們大家熟悉的氨基酸。在大氧化事件發生之前，由於整個地表都缺氧，當這些還原態的氮被細菌的新陳代謝被排泄出來時，就很難被氧化成氮氣回到大氣層。
那它們還能跑到哪兒呢？它們上不了天，但是能「下地」——通過沉積作用聚集到岩石圈中，以銨離子（NH4+）的形式固定下來，固定到岩石的晶格中。就這樣，在細菌這個「中介」的作用下，大氣圈中氮氣，會逐步進入岩石圈，而岩石圈中的氮呢——由於環境中缺少將它們的價態氧化上去的機制——則很難重新循環成氮氣排出到大氣層中。在這個單向度的消耗過程中，大氣層中的氮氣會越來越少，而岩石圈中的氮素會越來越多。這個過程，被形象地稱為「固氮作用」（Nitrogen fixation）。太古細菌們源源不斷地進行著固氮作用，日積月累，月積年累，億萬年地積、億萬年地累，最終，把這顆星球的大氣壓，削到了不足今天一半當量的水平。
然後問題來了：大氣層是怎麼從當時那稀薄的狀態，一步步積累到現在這麼厚的水平呢？這其中，想來必有一次行星級的大事件。
光芒下的新世界
答案是：由於沐浴在光芒之下，生命們慢慢地走進了新世界。光是太陽光的光，新世界是富氧的新世界。嗜氮菌畢竟只是太古細菌中的一部分。另一部分——比如藍藻——則是營光合作用的生物。這些慢慢崛起的光合細菌，將大量的氧氣排泄到外界，從而徹底改造了大氣層的貧氧面貌，沒錯，這就是25億年前的大氧化事件本身。這次事件終結了令人窒息的太古宙（Archean Eon），打開了地球富氧時代的第一扇大門——元古宙（Proterozoic Eon）。由於這個事件對地球的演化非常重要，我在接下來會專門找時間來聊聊它。
藝術家想像的太古宙地球。圖片來源：bbc
氧氣一旦充足了之後，它們便會以摧枯拉朽之勢氧化地表一切能氧化的東西，包括鐵、包括硫、更包我們這篇故事裡的主角——氮。於是結果就是，大量的氮突破了岩石圈長久以來的禁閉，以氮氣的形式重新回到了久違的大氣層。這些回歸的氮氣一步步充實著大氣層的體量，自此和氧一道，成為地球大氣中具有壓倒性比例的雙巨頭。直到在漫長的歲月中，將大氣層塑造為我們今日得以感受的水平。
所以這段故事告一段落了？但站在我們人類的立場來說，「新世界的大門」其實並不在洪荒的過去，而在未來的前方。人類已經掌握了測定系外行星光譜的技術，而系外行星的光譜，可以幫助我們推斷這些行星表面的化學成分。
好了，有趣的在這兒：試想如果有一天，我們確認了一顆系外行星稀薄貧氮、但卻有著異常豐富的溫室氣體……？
那時的你覺得會發生些什麼呢？
還是引用費曼那句話：「我就先說到這兒，剩下的，就留給你們來想像了。」（編輯：Ent）
題圖來源：Peter Sawyer/Smithsonian Institution（藝術家筆下的太古宙地球示意圖）
參考文獻：
Sanjoy M. Som et al., 2016. Earth』s air pressure 2.7 billion years agoconstrained to less than half of modern levels. Nature Geoscience. In press. DOI: 10.1038/ngeo2713
Maddie Stone. This Might Be the Weirdest Thing That s Ever Happened to Earth s Atmosphere. http://gizmodo.com/this-might-be-the-weirdest-thing-thats-ever-happened-to-1775604847
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