在漫长的地球历史演化中，冰河时代来了又去，地球气候交替着一首冰与火之歌，即冰期-间冰期气候旋回。
冰河世纪
在每次的冰期旋回中，温暖湿润的气候环境仅仅持续几千年，而剩下的几万年中地球几乎一直处在一个有大陆冰盖存在的寒冷冰期。每当地球气候发生突变时，地球生命就面临着严峻的考验，那么，地球冷热交替究竟是如何形成的呢？
米兰·柯维奇
早在20世纪初，南斯拉夫地球物理学家米兰·柯维奇就提出了著名的米兰科维奇循环气候变化理论（Milankovitch cycles），他通过计算过去数百万年地球的离心率、转轴倾角和轨道的进动的变化，发现这些参数的变化规律与地球气候变化存在一定关系，并提出地球轨道变化引起的夏季太阳辐射的变化是驱动气候波动的主要因素。
地球轨道的变化由三个主要参数控制，即轨道偏心率、地轴倾角和岁差，其对应的周期分别为约10万年和40万年、4.1万年、2.1万年。在地球围绕自转轴自转和在轨道上绕着太阳公转的过程中，地球在这些运动方向上的变化周期性地改变太阳辐射抵达地球的方向和数量，从而影响了地球的温度起伏和冰期形成。
1976年，J.D.Hays等人通过分析髙分辨率和长时间尺度的深海岩芯证实了米兰科维奇循环，为进一步探索冰期气候的演变规律指明了方向。
然而，地球轨道的轻微变化到底如何驱动地球冰期-间冰期气候旋回的大气候波动呢？近日，发表在《自然》科学杂志的上一篇文章给这个问题，提供了一种地球偏心引起地球生物圈和碳循环变化，从而改变地球气候的新视角。
地球轨道偏心率
在太阳系中，地球绕太阳的轨道并不总是完美的圆形轨道，而是椭圆形，平均的离心率是0.028（离心率是测量椭圆与圆形的偏差）。因为受到木星和土星不同引力的交互作用影响，这种椭圆形轨道也会发生变化，周期是10万年和40万年。奇怪的是，在过去的280 万年的地球历史中，冰期-间冰期之间的循环与 100,000 年的地球轨道离心公转离心率同步。
颗石藻
与此同时，这种周期同时与海洋中一种广泛分布的浮游生物——颗石藻的枯荣周期表现出强烈的对应关系，因此，科学家提出了地球轨道偏心率的变化引起地球植物周期性演化，推动了地球大气中二氧化碳的循化，最终导致地球气候表现出周期的波动。
2.浮游植物的循环进化
颗石藻
颗石藻是一种非常古老的微型藻类，在2.15 亿年前的三叠纪级就登上了地球生命演化的舞台，在其单细胞周围形成微小的圆粒 ,称为颗石，这些颗石是由许多微小的方解石薄片组成。在过去 2.2 亿年左右的时间里，球石藻在海洋碳循环中发挥了独特的双重功能。
与所有浮游植物一样，球藻不仅可以通过光合作用将海水中溶解的二氧化碳转化为有机碳，而且可以将二氧化碳变成颗石，即由碳酸钙组成的外壳。当它们死后，颗石藻会沉入海底，变成石灰岩。据统计，颗石藻贡献了海洋中一半以上的碳酸盐岩沉积，因此颗石藻在地球碳循环过程中占有重要的地位。
颗石藻
因此，研究人员利用全自动显微镜和人工智能技术，对900多万个颗石进行了测量和分类，这些颗石来自于热带海洋的多个地点，且具有280万年的时间跨度。他们发现，颗石藻的大小和形状变化具有2个周期，分别为10万年和40万年，这与地球公转轨道的形状变化表现出相似的规律性。
那么地球公转轨道如何影响颗石藻的大小与分布的呢？
万物向阳而生，颗石藻亦是如此。
当地球绕太阳运动轨道的几何形状发生变化时，地球表面所接受到的来自太阳的辐射能量也随之发生改变。
科学家预测当地球公转轨道更圆、偏心率更低时，赤道地区的季节变化较小，但是中高纬度地区将处于一个较低的温度区，海洋上主要存在的颗石藻具有中等大小的颗石。
但是在这种情况下，生存环境的稳定并不利于生物的多样性发展，甚至可能导致灭绝。这种情况不利于颗石藻对溶解在海洋中的二氧化碳的吸收，因此大气中含有较高的温室气体，地球温度出去高温环境，地球将迎来间冰期。
而当地球轨道的偏心率增加时，赤道附近会出现多个季节，也将即季节性温度气温变化增大，中纬度地区也在不同的季节迎来较高的温度。
此时，颗石藻的颗石具有一系列不同的粒径大小，颗石藻的生物多样性得到扩张，在不同的纬度地区将形成不同的生态位，海洋中的颗石藻将大量繁殖，导致颗石藻大量吸收大气中的二氧化碳，温室气体浓度降低，有利于地球降温，地球将迎来冰期。
总结尽管，颗石藻多形性演化可以明显影响地球碳酸盐的沉积模式，但单独的颗石藻的生产力可能并不能引起地球气候环境的冷热交替。
地球碳循环
但是别忘了，颗石藻只是浮游植物的一种，其他浮游植物群也可能存在随地球轨道周期性变化而周期性扩张和收缩。在这种情况下，海洋中的浮游植物可能已经足够强大到可以调节地球碳循环，从而改变地球的气候。
地球轨道变化、浮游植物演化和全球碳循环之间的这种联系，可能是地球冰期-间冰期气候旋回的原因之一，当然，这个推论还需进一步研究。
气候变暖
探寻过去气候变化的原因，尝试揭示不同时空尺度生物-地球过程的协同作用对气候变化的影响，并不仅是因为好奇。以史为鉴，以知兴替。只有努力掌握气候演变的规律，才能更好地预测和应对未来的气候变化，指引人类可持续发展的方向。
参考文献：Beaufort, L., Bolton, C.T., Sarr, AC. et al. Cyclic evolution of phytoplankton forced by changes in tropical seasonality. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04195-7
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