原文 | Evan Gough
翻译 | Linvo
地球自大约45亿年前形成以来，经历了漫长而复杂的历史。最初它是一个熔融状的球，后来它冷却并分化。（译者注：行星的分化指的是根据行星体的物理或化学行为，将内部成分分离出来的过程。）月球是由地球和一颗原行星碰撞而形成的。随后海洋形成了，在某个时间点（大约40亿年前）简单生命出现了。
这些都是大致的轮廓，科学家们一直在努力完善地球历史的详细时间表。但是，在这个时间轴上，有许多重要的、人们不太了解的时期。其中一个，就是关于紫外线辐射及其对早期生命的影响。
一项新的研究探索了紫外线辐射对地球早期生命形式的影响，以及它如何塑造我们的世界。
太阳用紫外线辐射轰击地球，这对生命是有害的。紫外线辐射大约占来自太阳辐射的10%。其中大部分不属于电离辐射，但它仍会损害DNA，导致晒伤和皮肤癌。
幸运的是，地球的臭氧层是抵御紫外线的屏障。臭氧层在地球表面提供不同程度的紫外线保护，随着季节和纬度的变化而变化。总的来说，它能阻止97%~99%的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含量，而这一含量会随着时间的流逝而波动。地球大气中氧含量最显著的变化发生在大氧化事件(GOE)，而这一事件及其对臭氧的影响是这项新研究的重点。
这项新研究的标题是修正地球氧化史中关于臭氧含量的较低估值。该研究的主要作者是格雷戈里·库克，他是利兹大学物理和天文学学院的博士研究员。这篇论文发表在《皇家学会开放科学》杂志上。
GOE使地球大气中的氧气含量从接近于零的水平上升到现在的大约21%，这一切发生在大约20~24亿年前。科学家将这一现象归因于蓝藻（被称为蓝绿藻）的出现。蓝藻出现在27亿年前，利用光合作用产生能量。光合作用的副产品就是氧气。
早在23.3亿年前，大氧化事件（GOE）就开始了，科学家们认为这一时期标志着氧气开始永久存在于大气中。
地球的氧气水平随时间的推移而上下波动，但GOE是历史上地球氧气水平最重要的事件。另一个被命名为新元古代氧化的事件可能也在提高地球氧气方面发挥了重要作用。然而，它并不像GOE那样被充分理解，甚至没有得到一致认可。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，当氧气水平低至1%时，臭氧可以保护地球免受有害辐射。但这项新研究得出了一个不同的结论。它表明：大气需要现在地球5%~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?
这可能对生命的演化产生了令人着迷的影响。
我们知道，如果生命暴露在过多的紫外线辐射下，会产生灾难性的影响，第一作者库克在一份新闻稿中说。例如，它可能导致人类皮肤癌。一些生物体有有效的防御机制，许多生物体可以修复紫外线辐射造成的一些损害。
库克说：虽然增加的紫外线辐射不会阻止生命的出现或进化，但它可以作为一种选择压力，更好地促使受到更多紫外线辐射的生物体获得优势。
地球气候历史模型是这项研究的基础。这些模型表明：以前对地球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24亿年里，到达地球表面的紫外线辐射水平可能发生了变化。
本研究中的建模与早期的建模不同。之前的研究依赖于地球氧气的一维模型。但是这项研究考虑了更多的复杂性。作者在他们的论文中解释说，这项研究使用……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三维臭氧随氧气浓度变化的变化。我们展示了氧气对臭氧层的三维影响（其大小和空间变化），并讨论了这如何影响适居性（生命在地表生存的能力）的估计。
该研究使用了完整大气群落气候模型（WACCM6）。WACCM6结合了大气、陆地、海洋、陆冰和海冰等子模型。该团队在他们的研究中进行了12个不同的模拟。
WACCM6地球系统模型示意图。
科学家使用多布森单位来测量大气臭氧水平。1多布森单位是在0摄氏度的温度和1个大气压下，生成一层0.01毫米厚的纯臭氧所需的臭氧分子数。
该图显示了地球臭氧含量密度的多布森单位。
如果地球上的生命暴露在比之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。那些以某种方式适应的生物（比如隐藏在地下、修复损伤等等），如果没有这些适应能力，则无法战胜其他生物。
库克说：如果我们的模型显示了地球氧化历史中的大气情景，那么在超过10亿年的时间里，地球可能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令人着迷的影响。动物何时出现，以及它们在海洋或陆地上遇到了什么样的环境，我们不得而知。然而，根据氧气浓度的不同，动物和植物可能会面临比今天更严酷的环境。我们希望我们的研究结果对进化的影响能够在未来得到全面的探索。
关于地球的一切都比一两个简单的因素要复杂得多。臭氧层的强度及其保护生命免受紫外线辐射的能力，在很大程度上取决于氧气水平。但还有许多其他因素也在起作用，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。感兴趣的读者可以去看原始论文。
这项工作有几个有趣的收获：首先，如果没有足够的紫外线保护，我们就不会在这里；如果早期生命没有遭受更多的紫外线，我们也可能不会在这里。那我们可以叫它紫外线的两面性吗?
另一个令人兴奋的发现是关于系外行星以及我们对它们越来越浓厚的兴趣。感谢詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的发射，科学家们将能够更详细地研究系外行星的大气。这些大气中氧气和臭氧等气体的存在和数量，将帮助我们了解系外行星的潜在宜居性。这项研究中的建模或许是解释JWST的结果以及理解系外行星和生命可能性谜题的一部分。
原文：
https://www.universetoday.com/153972/the-early-earth-was-really-horrible-for-life/
