10億年後，氧氣將成地球稀缺品？
大約24億年前，地球發生了一次翻天覆地的變化。那時，大氧化事件發生，氧氣開始在地球大氣中累積。儘管這一事件對當時的地球生命來說是災難性的，但卻爲後來多細胞生命的出現創造了新的機遇。
在地球的大部分歷史時期中，氧氣很可能一直保持在相當低的水平。直到約4億年前陸地植物進化之後，大氣中的氧氣上升到了接近現代的水平。如今，氧氣佔據了約五分之一的大氣，成爲地球生命的關鍵要素，支持着有氧呼吸的複雜生命形式在這顆星球上蓬勃發展。
但科學家一直清楚的是，地球並不會永遠保持這種支持生命發展的能力。地球是一顆動態的星球，更重要的是，太陽並非一成不變的。隨着太陽變得越來越熱，地球生命很可能會變得越來越難以生存，最終，生物圈將迎來一個關鍵的轉折點——我們這顆星球無法再支持大多數植物和動物的生存。
根據《自然·地球科學》上發表的一項最新研究，這個轉折點將在未來約10億年內發生。研究利用計算機模擬了地球表面碳、氧、磷和硫循環的演變，並研究了氣候變化和地球表面與地球內部的相互作用。結果顯示，地球富氧的大氣可能只能再持續約10.8億年。
在模擬中，研究人員納入了描述氣候演變、地質過程和生物過程的各種變量，以及描述太陽活動的關鍵變量。研究模擬了兩種理論情景，包括有活躍生物圈的類地行星，和不存在活躍生物圈的行星。有趣的是，兩種情況產生了大致相似的結果。
模擬表明，太陽隨着時間的推移會變得越來越明亮，釋放出更多熱量。大約10億年後，地球將接收到更多太陽能。這種能量的增加產生了明顯影響，比如，它會加速玄武岩和花崗岩等硅酸鹽岩石的風化。當岩石風化時，二氧化碳從大氣中被抽出，通過化學反應被固定在碳酸鹽礦物中。大氣二氧化碳水平開始顯著下降。
然而二氧化碳和水是植物進行光合作用所需的關鍵成分之一。在大約一萬年的時間裏，二氧化碳就會大幅減少，光合作用隨之越來越弱，大量植物面臨滅頂之災。
同時，光合作用的降低意味着氧氣生產的減少。伴隨着其他大規模地質過程的發生，氧氣逐漸消失。這幾乎註定標誌着複雜生命形式的終結——由於大氣中缺乏可供呼吸的氣體，許多陸地和海洋生物很快滅絕。模擬還顯示，在這一過程中，大氣中甲烷水平會不斷升高，這實際上會加速生物死亡的過程。
最終，地球將變成一顆死氣沉沉的星球。大氣中氧氣含量極低，富含甲烷，還可能出現有機煙霧。臭氧層被剝離，陸地和海洋將暴露在高水平的紫外線中，來自太陽的熱量炙烤着地球。除了細菌這樣微小的厭氧生物之外，複雜生命不復存在——地球彷彿回到了動植物出現之前的那個世界。
即使在對沒有活躍生物圈的行星的模擬中，由於地幔和地表環境之間的長期相互作用帶來的影響，比如俯衝過程使岩石進入地幔，火山從地幔中釋放的氣體等地球化學過程，大氣中的氧氣仍會面臨相似的結局。
爲什麼這一結果非常重要？想象一下，如果我們是來自另一個世界的外星人，通過在系外行星的大氣中尋找氧氣和臭氧，來搜尋生命的跡象。如果儀器在20億年後或20億年前掃描過地球，我們可能會得到一個“假陰性”的結果——這顆行星缺乏可靠的“生物信號”。
這正是天文學家和行星科學家如今面臨的問題：我們應該瞄準什麼樣的系外行星？地外生命的可靠生物特徵又是什麼？
事實上，當我們談論星球宜居性時，不僅僅是在說一顆恆星周圍的某個地方，它還包括了行星演化過程中的某個時期。而我們現在所能觀測到的東西仍然十分有限。
如果類比地球，我們可能需要更廣泛地思考，在地外生命的探索中，我們應當在系外行星的大氣中尋找哪些氣體，並且重新思考這些氣體可能包含的意義。
我們需要更好地瞭解地球大氣隨時間演化的歷史，以及我們星球的表面和內部是如何一起演化的。只有這樣，我們才能確定是否有生命存活在其他恆星周圍的光芒中。
