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在科幻作品《流浪地球》中，人類利用行星推進器將地球推離了公轉軌道，飛往宇宙深處的新家園。

(資料圖)

在這場持續2500年的征途中，地球脫離太陽的溫暖投入了宇宙的極寒，曾經的海洋都被凍成堅冰，地球變成一個大雪球，人類被迫轉入地下城生存。

此時此刻，在炎炎夏日的加持下，故事中的那個冰封世界似乎離我們更加遙不可及。然而，在六七億年前，冰封的災難竟真的降臨在沒有流浪的地球上。那個時候，原始的多細胞動物初現于海洋之中，它們該如何熬過這漫漫長冬？現代極地生命的研究能給我們帶來怎樣的啟示？

圖1 冰封的北京市（圖片來源：電影《流浪地球》）

“雪球地球”：聽起來很浪漫，

活起來很費勁

在距今7.2~6.35億年的成冰紀，發生了兩次持續時間長、影響范圍廣的大冰期事件，科學家為兩次事件取了一個形象的名字——“雪球地球”（圖2）。

圖2 想象中的“雪球地球”。該時期全球被冰封，或許在赤道殘留有一條細細的“海水腰帶”。（圖源：Science官網| JULIO LACERDA/STUDIO 252MYA）

第一次冰期（Sturtian斯圖爾特冰期）持續了約5000萬年，第二次冰期（Marinoan馬里諾冰期）持續了約1500萬年，兩次冰期的總時長相當于今時此刻與恐龍滅絕事件的距離。

研究推測，當時的全球極端寒冷，平均表面溫度約為-50℃，無論陸地還是海洋都被冰雪覆蓋。即使是赤道地區的年平均氣溫也在0℃以下，這意味著赤道地區也極有可能持續或間歇性地凍作堅冰[1]。試想一下，我國南端的南沙群島變得和冬日的漠河一樣冰天雪地，陸地與海洋連作白茫茫一片冰蓋，踩上冰刀可以一路從東北溜到三亞。

盡管也有研究提出，當時的赤道地區可能存在冰層融化的暴露水域（就像白色的地球圍上了一圈細細的腰帶），但大范圍的冰蓋覆蓋仍然會嚴重影響生命的生存。藏在海水里的它們或許可以躲過超低溫的啃噬，但廣泛覆蓋的冰蓋會阻礙海水與陸地的交流，使匯入海洋的營養物質大大減少。

冰蓋也會阻礙水體與大氣的交流，使動物賴以生存的氧氣變得稀缺。過厚的冰蓋還會阻擋陽光照進水體，使光合作用的藻類失去能量來源，削減藻類提供氧氣和食物的能力。移動的厚厚冰山會刮擦海底，殺死固著底棲生物，像推土機一樣把原本的海底夷為廢墟。

對古老的海洋生物而言，雪球是令它們窒息的穹頂，而對現代的研究者而言，雪球也是遮擋真相的障壁：由于全球冰封阻礙了陸源碎屑物質的輸入，化石保存的幾率很低；冰川的刮擦也破壞了化石保存的環境，使得我們難以找到大冰期期間動物在淺?；顒拥淖C據。

成冰紀過去后的埃迪卡拉紀也同樣受到過冰期（Gaskiers加斯基爾冰期）的影響。它發生在距今5.8億年，持續時間縮短到了小于100萬年，冰蓋也只覆蓋到緯度30°左右的亞熱帶地區（相當于上海人民獲得了冬季哈爾濱的全年體驗券）[2]。盡管沒有成冰紀的大冰期那么嚴酷，但是以埃迪卡拉生物群（圖3）為代表的大量復雜多細胞動物的出現仍然晚于加斯基爾冰期，它仍然沒有留下太多關于動物祖先艱難求生的線索。

圖3 埃迪卡拉生物群的部分生物面貌，這些神秘的生物繁盛于加斯基爾冰期之后。（圖源：參考文獻[3]）

遠古動物祖先的命，

可能也是“外賣”給的

幸運的是，放眼如今的地球，寒冷的極地地區或許能為我們提供靈感。

在如今的南極，海面上往往漂浮著很多薄薄的海冰。陽光透過它們，為生活在海冰中或底部的藻類提供光合作用的能量，從而生產有機物、制造氧氣，滋養著大量的原生生物、浮游動物甚至是魚類（圖4）。海冰也為藻類和小型動物（比如?？┨峁└街奈恢?，當它季節性破裂時會使得失去依附的藻類沉降至水底，為底棲生態系統提供營養，而這一機制可以作用于數千米深的水底。

而在“雪球地球”與加斯基爾冰期，地球赤道附近或許也有著類似的季節性海冰。海冰的底面就像是一個上下顛倒的淺海海底，也許幾億年前的動物就附著在海冰的底部，取食微弱陽光照射下生長的藻類，甚至乘著冰做的筏子漂流，把下一代散播到更遠的地方。又或許季節性的海冰融化，為海底的動物帶去難得的食物，使底棲生態系統得以幸存，為冰期結束后的底棲生物群落的演化奠定基礎。

圖4 現代極地冰棲藻類從冬天至夏天的發展變化。圖Ⅰ：冬季極夜時期，缺乏陽光，藻類不繁盛，群落整體獲取水體里已有的有機物；圖Ⅱ：春季白晝時間增加，太陽輻射增長，冰下藻類進行光合作用并消耗水體的營養，產生的有機物主要滋養浮游生物；圖Ⅲ：夏季由于溫度升高等因素，海冰裂解，有機質沉入水底，底棲生態系統繁盛。（圖源：參考文獻[4]）

從海面向下更深的地方是廣闊的淺海大陸架。在南極地區，厚厚的冰架覆蓋于其上，生物就像居住在一個巨大的滿是海水的漆黑洞穴中。這里沒有光照，也就沒有光合作用，意味著有機質必須從遠處開放水域運移過來，就像宅在家里等外賣。

加斯基爾冰期結束后的動物多數在海底固定生活（圖5），而在現在的海洋中，相似的生物群落接收到這份“外賣”的最遠直線距離是260千米，如果考慮到主洋流的流向，這個生物群落距離它們的食物可以遠達625~1500千米，相當于在南京點了一份重慶市的火鍋！

有研究認為，“雪球地球”時期的全球冰封可能嚴重影響了水體的流動，但也有模型研究顯示，當時的海水可能有著比今天還要強烈的垂向混合能力，以及和今天相當的水平混合能力。簡單來說，就是海水上下翻涌會比今天更快，橫向流動的速度和今天差不多，所以遠古的動物祖先或許可以更快地得到它們的“外賣”。

有了“外賣員”，那制造食物的“大廚房”又在哪里呢？這些食物或許來自赤道的薄冰帶，或許來自很少的無冰水域。而在完全無光的區域，光合生物無法“下廚”，有時也能換一群化能合成細菌“大師傅”。它們不依賴光照，而從化學物質的氧化中獲得的能量（比如甲烷、二價鐵、硫化氫等）、生產有機質，甚至可能通過共生的方式與動物互利互惠。

圖5 成冰紀或埃迪卡拉紀復雜生命在冰架（左）和海冰（右）下生活的想象圖景。圓圈a-d中的生物是相似環境下現代極地生物的范例，為重建古環境提供參考。圓圈以外的是五億多年前的埃迪卡拉生物群，可能有著與現代極地生物相似的生存方式。（圖源：參考文獻[5]）

在比大陸架更深的黑暗深?；蛟S也蘊藏著生機。盡管“雪球地球”時期大氣的氧氣含量遠低于今天，海底也以缺氧環境為主，但對現代生物的研究表明早期的底棲動物祖先能忍受氧氣含量極低的環境。而冰層本身也并非一成不變，動態的冰層能向下方的水體傳遞少量的氧氣和有機質，給深處的生物帶去一線生機。

在海底還有一種非常特殊的“黑煙囪”生態系統——海底的高溫液體噴出口，因為其中含有較多金屬硫化物而呈現黑色，故稱為“黑煙囪”（圖6）。生物利用“黑煙囪”提供的能量和物質，在其周圍形成密度和多樣性都極高的特殊群落。在今天的南極，科學家也觀察到了“黑煙囪”的存在，或許幾億年前的冰層下，也存在著一簇簇“黑煙囪”，像一團團篝火為漆黑的深海點亮生命的曙光。

圖6 名副其實的深?！昂跓焽琛?，向海水里釋放著“滾滾濃煙”。數種小動物攀附其上，“黑煙囪”為它們提供了生活保障。（圖源：MARUM/Wikipedia Commons）

生命曙光：在災難之后，

或許也在宇宙深處？

幾億年前的大冰期為生命帶來了滅頂之災，但生命從未被災難打倒，而是利用演化的法寶，重新發展壯大。

在“雪球地球”事件結束的幾十個百萬年后（對生命演化來說是非常短的時間），古老的光合藻類與動物便在位于今天的安徽藍田的古海洋中繁盛。而在加斯基爾冰期結束后，早期動物又快速出現，在經歷迅速的輻射演化之后，形成了形態獨特而類型多樣的生物面貌。而這份演化的動力，或許就源于大冰期惡劣的環境。正是因為殘酷的大冰期帶來強烈的選擇壓力，淘汰了大量生物，使生態位空缺，才留下了適應能力強或有著獨特才能的類群。

同時，資源的局限和冰蓋的阻隔可能使生物的棲息地支離破碎，地理隔離會促進不同物種在不同地區的出現。待到大冰期結束，冰蓋融化，這些幸存者就會走上快速擴張的輻射演化之路。

我們眼中的巨大災難，可以是生命演化轉折的契機，或許也可以是孕育新生的溫床。有趣的是，近年的深空探測發現，類似“雪球地球”的環境并不是早期地球所獨有的，僅在太陽系內，木星與土星的衛星中就存在可能的“雪球”。探測發現土星的衛星Enceladus表面覆蓋著厚厚的冰殼，冰殼的縫隙中時常噴射出成分主要為水的氣態羽流（圖7）。冰殼下方有著液態的海洋，在海底還有著活躍的熱液活動。

圖7 土星的衛星Enceladus就是一顆“雪球”。

（圖片來源：NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute）

既然古老的動物祖先在“雪球地球”上能熬過寒冬、走向繁榮，或許也可以相信，在宇宙深處的“雪球”之中，生命的種子正以類似地球動物祖先的方式蟄伏在那些冰層下，等待著生命綻放的奇跡時刻。

參考文獻：

[1]Hoffman,P.F.,Abbot,D.S.,Ashkenazy,Y.,Benn,D.I.,Brocks,J.J.,Cohen,P.A.,Cox,G.M.,Creveling,J.R.,Donnadieu,Y.,Erwin,D.H.,Fairchild,I.J.,Ferreira,D.,Goodman,J.C.,Halverson,G.P.,Jansen,M.F.,LeHir,G.,Love,G.D.,Macdonald,F.A.,Maloof,A.C.,Partin,C.A.,Ramstein,G.,Rose,B.E.J.,Rose,C.V.,Sadler,P.M.,Tziperman,E.,Voigt,A.,Warren,S.G.,2017.SnowballEarthclimatedynamicsandCryogeniangeology-geobiology.ScienceAdvances3,e1600983.

[2]Pu,J.P.,Bowring,S.A.,Ramezani,J.,Myrow,P.,Raub,T.D.,Landing,E.,Mills,A.,Hodgin,E.,Macdonald,F.A.,2016.Dodgingsnowballs:geochronologyoftheGaskiersglaciationandthefirstappearanceoftheEdiacaranbiota.Geology44,955–958.

[3]Huang,K.,Cheng,M.,Algeo,T.J.,Hu,J.,Wang,H.,Zhang,Z.,Dodd,M.S.,Wu,Y.,Guo,W.,Li,C.,2022.InteractionofShibantanBiotaandenvironmentintheterminalEdiacaranocean:EvidencefromI/(Ca+Mg)andsulfurisotopes.PrecambrianResearch379,106814.

[4]Leu,E.,Mundy,C.J.,Assmy,P.,Campbell,K.,Gabrielsen,T.M.,Gosselin,M.,Juul-Pedersen,T.,Gradinger,R.,2015.Arcticspringawakening–Steeringprinciplesbehindthephenologyofvernalicealgalblooms.ProgressinOceanography139,151–170.

[5]Griffiths,H.J.,Whittle,R.J.,Mitchell,E.G.,2023.AnimalsurvivalstrategiesinNeoproterozoiciceworlds.GlobalChangeBiology29,10–20.

作者：劉雅榕 龐科

單位：中國科學院南京地質古生物研究所

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