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在科幻作品《流浪地球》中，人类利用行星推进器将地球推离了公转轨道，飞往宇宙深处的新家园。

(资料图)

在这场持续2500年的征途中，地球脱离太阳的温暖投入了宇宙的极寒，曾经的海洋都被冻成坚冰，地球变成一个大雪球，人类被迫转入地下城生存。

此时此刻，在炎炎夏日的加持下，故事中的那个冰封世界似乎离我们更加遥不可及。然而，在六七亿年前，冰封的灾难竟真的降临在没有流浪的地球上。那个时候，原始的多细胞动物初现于海洋之中，它们该如何熬过这漫漫长冬？现代极地生命的研究能给我们带来怎样的启示？

图1 冰封的北京市（图片来源：电影《流浪地球》）

“雪球地球”：听起来很浪漫，

活起来很费劲

在距今7.2~6.35亿年的成冰纪，发生了两次持续时间长、影响范围广的大冰期事件，科学家为两次事件取了一个形象的名字——“雪球地球”（图2）。

图2 想象中的“雪球地球”。该时期全球被冰封，或许在赤道残留有一条细细的“海水腰带”。（图源：Science官网| JULIO LACERDA/STUDIO 252MYA）

第一次冰期（Sturtian斯图尔特冰期）持续了约5000万年，第二次冰期（Marinoan马里诺冰期）持续了约1500万年，两次冰期的总时长相当于今时此刻与恐龙灭绝事件的距离。

研究推测，当时的全球极端寒冷，平均表面温度约为-50℃，无论陆地还是海洋都被冰雪覆盖。即使是赤道地区的年平均气温也在0℃以下，这意味着赤道地区也极有可能持续或间歇性地冻作坚冰[1]。试想一下，我国南端的南沙群岛变得和冬日的漠河一样冰天雪地，陆地与海洋连作白茫茫一片冰盖，踩上冰刀可以一路从东北溜到三亚。

尽管也有研究提出，当时的赤道地区可能存在冰层融化的暴露水域（就像白色的地球围上了一圈细细的腰带），但大范围的冰盖覆盖仍然会严重影响生命的生存。藏在海水里的它们或许可以躲过超低温的啃噬，但广泛覆盖的冰盖会阻碍海水与陆地的交流，使汇入海洋的营养物质大大减少。

冰盖也会阻碍水体与大气的交流，使动物赖以生存的氧气变得稀缺。过厚的冰盖还会阻挡阳光照进水体，使光合作用的藻类失去能量来源，削减藻类提供氧气和食物的能力。移动的厚厚冰山会刮擦海底，杀死固着底栖生物，像推土机一样把原本的海底夷为废墟。

对古老的海洋生物而言，雪球是令它们窒息的穹顶，而对现代的研究者而言，雪球也是遮挡真相的障壁：由于全球冰封阻碍了陆源碎屑物质的输入，化石保存的几率很低；冰川的刮擦也破坏了化石保存的环境，使得我们难以找到大冰期期间动物在浅海活动的证据。

成冰纪过去后的埃迪卡拉纪也同样受到过冰期（Gaskiers加斯基尔冰期）的影响。它发生在距今5.8亿年，持续时间缩短到了小于100万年，冰盖也只覆盖到纬度30°左右的亚热带地区（相当于上海人民获得了冬季哈尔滨的全年体验券）[2]。尽管没有成冰纪的大冰期那么严酷，但是以埃迪卡拉生物群（图3）为代表的大量复杂多细胞动物的出现仍然晚于加斯基尔冰期，它仍然没有留下太多关于动物祖先艰难求生的线索。

图3 埃迪卡拉生物群的部分生物面貌，这些神秘的生物繁盛于加斯基尔冰期之后。（图源：参考文献[3]）

远古动物祖先的命，

可能也是“外卖”给的

幸运的是，放眼如今的地球，寒冷的极地地区或许能为我们提供灵感。

在如今的南极，海面上往往漂浮着很多薄薄的海冰。阳光透过它们，为生活在海冰中或底部的藻类提供光合作用的能量，从而生产有机物、制造氧气，滋养着大量的原生生物、浮游动物甚至是鱼类（图4）。海冰也为藻类和小型动物（比如海葵）提供附着的位置，当它季节性破裂时会使得失去依附的藻类沉降至水底，为底栖生态系统提供营养，而这一机制可以作用于数千米深的水底。

而在“雪球地球”与加斯基尔冰期，地球赤道附近或许也有着类似的季节性海冰。海冰的底面就像是一个上下颠倒的浅海海底，也许几亿年前的动物就附着在海冰的底部，取食微弱阳光照射下生长的藻类，甚至乘着冰做的筏子漂流，把下一代散播到更远的地方。又或许季节性的海冰融化，为海底的动物带去难得的食物，使底栖生态系统得以幸存，为冰期结束后的底栖生物群落的演化奠定基础。

图4 现代极地冰栖藻类从冬天至夏天的发展变化。图Ⅰ：冬季极夜时期，缺乏阳光，藻类不繁盛，群落整体获取水体里已有的有机物；图Ⅱ：春季白昼时间增加，太阳辐射增长，冰下藻类进行光合作用并消耗水体的营养，产生的有机物主要滋养浮游生物；图Ⅲ：夏季由于温度升高等因素，海冰裂解，有机质沉入水底，底栖生态系统繁盛。（图源：参考文献[4]）

从海面向下更深的地方是广阔的浅海大陆架。在南极地区，厚厚的冰架覆盖于其上，生物就像居住在一个巨大的满是海水的漆黑洞穴中。这里没有光照，也就没有光合作用，意味着有机质必须从远处开放水域运移过来，就像宅在家里等外卖。

加斯基尔冰期结束后的动物多数在海底固定生活（图5），而在现在的海洋中，相似的生物群落接收到这份“外卖”的最远直线距离是260千米，如果考虑到主洋流的流向，这个生物群落距离它们的食物可以远达625~1500千米，相当于在南京点了一份重庆市的火锅！

有研究认为，“雪球地球”时期的全球冰封可能严重影响了水体的流动，但也有模型研究显示，当时的海水可能有着比今天还要强烈的垂向混合能力，以及和今天相当的水平混合能力。简单来说，就是海水上下翻涌会比今天更快，横向流动的速度和今天差不多，所以远古的动物祖先或许可以更快地得到它们的“外卖”。

有了“外卖员”，那制造食物的“大厨房”又在哪里呢？这些食物或许来自赤道的薄冰带，或许来自很少的无冰水域。而在完全无光的区域，光合生物无法“下厨”，有时也能换一群化能合成细菌“大师傅”。它们不依赖光照，而从化学物质的氧化中获得的能量（比如甲烷、二价铁、硫化氢等）、生产有机质，甚至可能通过共生的方式与动物互利互惠。

图5 成冰纪或埃迪卡拉纪复杂生命在冰架（左）和海冰（右）下生活的想象图景。圆圈a-d中的生物是相似环境下现代极地生物的范例，为重建古环境提供参考。圆圈以外的是五亿多年前的埃迪卡拉生物群，可能有着与现代极地生物相似的生存方式。（图源：参考文献[5]）

在比大陆架更深的黑暗深海或许也蕴藏着生机。尽管“雪球地球”时期大气的氧气含量远低于今天，海底也以缺氧环境为主，但对现代生物的研究表明早期的底栖动物祖先能忍受氧气含量极低的环境。而冰层本身也并非一成不变，动态的冰层能向下方的水体传递少量的氧气和有机质，给深处的生物带去一线生机。

在海底还有一种非常特殊的“黑烟囱”生态系统——海底的高温液体喷出口，因为其中含有较多金属硫化物而呈现黑色，故称为“黑烟囱”（图6）。生物利用“黑烟囱”提供的能量和物质，在其周围形成密度和多样性都极高的特殊群落。在今天的南极，科学家也观察到了“黑烟囱”的存在，或许几亿年前的冰层下，也存在着一簇簇“黑烟囱”，像一团团篝火为漆黑的深海点亮生命的曙光。

图6 名副其实的深海“黑烟囱”，向海水里释放着“滚滚浓烟”。数种小动物攀附其上，“黑烟囱”为它们提供了生活保障。（图源：MARUM/Wikipedia Commons）

生命曙光：在灾难之后，

或许也在宇宙深处？

几亿年前的大冰期为生命带来了灭顶之灾，但生命从未被灾难打倒，而是利用演化的法宝，重新发展壮大。

在“雪球地球”事件结束的几十个百万年后（对生命演化来说是非常短的时间），古老的光合藻类与动物便在位于今天的安徽蓝田的古海洋中繁盛。而在加斯基尔冰期结束后，早期动物又快速出现，在经历迅速的辐射演化之后，形成了形态独特而类型多样的生物面貌。而这份演化的动力，或许就源于大冰期恶劣的环境。正是因为残酷的大冰期带来强烈的选择压力，淘汰了大量生物，使生态位空缺，才留下了适应能力强或有着独特才能的类群。

同时，资源的局限和冰盖的阻隔可能使生物的栖息地支离破碎，地理隔离会促进不同物种在不同地区的出现。待到大冰期结束，冰盖融化，这些幸存者就会走上快速扩张的辐射演化之路。

我们眼中的巨大灾难，可以是生命演化转折的契机，或许也可以是孕育新生的温床。有趣的是，近年的深空探测发现，类似“雪球地球”的环境并不是早期地球所独有的，仅在太阳系内，木星与土星的卫星中就存在可能的“雪球”。探测发现土星的卫星Enceladus表面覆盖着厚厚的冰壳，冰壳的缝隙中时常喷射出成分主要为水的气态羽流（图7）。冰壳下方有着液态的海洋，在海底还有着活跃的热液活动。

图7 土星的卫星Enceladus就是一颗“雪球”。

（图片来源：NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute）

既然古老的动物祖先在“雪球地球”上能熬过寒冬、走向繁荣，或许也可以相信，在宇宙深处的“雪球”之中，生命的种子正以类似地球动物祖先的方式蛰伏在那些冰层下，等待着生命绽放的奇迹时刻。

参考文献：

[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：刘雅榕 庞科

单位：中国科学院南京地质古生物研究所

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