臭氧层：地球生命的“保护伞”

氧气的出现是地球破天荒地的一件大事。它改变了地球表面的一切。铁矿得以形成，气候变得冷热变化，地貌发生了改变，更重要的是真核细胞诞生了。其对地球环境和生命演化的影响一直延续至今。

而臭氧层的出现，是氧气与紫外线发生化学反应的结果。从宇宙中射入的强烈紫外线与地球大气中的氧分子（O2）接触，氧分子被分解为两个氧原子（O），孤立的氧原子与其他氧分子相结合形成了O3，即臭氧。臭氧吸收紫外线，被分解为氧分子和氧原子，再次产生其他臭氧。臭氧层的形成同样对地球生命演化产生了深远的影响。

分量虽极少，却正好适宜生物生存

如今人们都知道，臭氧层是地球生命的保护伞，因为它吸收了对生命有害的太阳紫外线。紫外线会破坏对于生物来说最重要的DNA。紫外线根据波长的不同分为三种类型，波长较长的“长波长紫外线”虽然会达到地面，但对生物的影响较小。但波长较短的“短波长紫外线”和“中波长紫外线”能量巨大，能够到达生物的细胞内部，破坏DNA。对于只有一个DNA的单细胞生物来说，DNA被破坏就意味着死亡。对于多细胞生物来说，中波长紫外线和短波长紫外线同样是有害的。

因此，臭氧层就像是保护地球生物的重要“宇航服”。其分量虽极少，只占大气总量的百万分之一，却不多不少，正好适宜生物生存。臭氧层形成这种微妙平衡的过程，可以说是偶然性的累加，近乎奇迹。但是，如果臭氧层出现空洞或稀薄，将使地球所有生命面临灾难。

今天的臭氧层高悬在地面25千米上空的平流层，但臭氧层形成之初只存在于靠近地球表面的区域。因为22亿年前氧气浓度只有现在的十分之一，在这种情况下，紫外线能够到达地表附近，因此可以想象氧气和紫外线的相遇发生在极靠近地表的地方。只有氧气浓度进一步增加才能在高空产生臭氧层。

虽然臭氧层是保护生物不受紫外线侵袭的“伙伴”，但是臭氧本身有极强的氧化作用，对于生物来说是有害的“敌人”。人类如果吸入高浓度臭氧的话，气管和肺会立刻糜烂。也就是说，臭氧层形成之初的地表附近，不仅紫外线强烈，臭氧浓度也很高，对于生物来说是十分危险的环境。显然，那时的陆地上尚未形成适合生物生存的环境。

氧气浓度再一次爆发式上升是距今6亿年前，这可能也是前寒武纪数次出现大冰期的原因。这一时期，臭氧层密度急剧增加，高度也上升到平流层中距离地面20～25千米处，和现在的高度基本相同。平流层中形成臭氧层，使生物演化大大加速。臭氧层去除了生物登上陆地的一个障碍，为生物登陆创造了条件，促使生物快速演化。

近6亿年来，从地衣最初改造地表，到苔藓植物姗姗徘徊在水陆交互区，直至出现维管植物的成功登陆，无脊椎动物和鱼类的相继登陆。这场延续数千万年的登陆大潮，无疑得益于臭氧层的形成和保护。

空洞问题不容忽视，保护还任重道远

但是，臭氧层出现后却经常遭受破坏，一再对地球生物造成伤害，并在历次生物大灭绝中扮演着至关重要的作用。地球上曾经发生过五次大规模的生物灭绝事件，几乎都跟臭氧层受到大规模破坏有关系。

距今3.75亿年前，发生了泥盆纪晚期生物大灭绝，灭绝的海生动物达70多科，陆生生物也遭受了重创。美国伊利诺伊大学学者于2020年8月24日在美国趣味科学网站刊文称，他们发现泥盆纪和石炭纪过渡期的数千年的化石孢子都显示出被紫外线破坏的迹象。据此认为是一场来自太空的突如其来的灾难性事件对地球臭氧层造成了持久的破坏，而最大的可能就是太阳系附近的超新星爆发，使得地球生物大规模死亡。

科学家研究表明，在距今4.4亿年前的奥陶纪末大灭绝，2.52亿年前的二叠纪末大灭绝，2亿年前的三叠纪末大灭绝和6600万年前的恐龙大灭绝中，虽然导致灭绝的原因有所不同，但是在灭绝灾难发生期间，地球大气层中的臭氧层都受到了大规模的破坏甚至消失。这无疑让地球环境更加恶化，使处在灾难中的地球生物雪上加霜，加速了它们的灭绝。

今天的地球，臭氧层的状态同样令人揪心。科学观察发现，南极上空的臭氧层空洞面积不断扩大，曾经一度达到了2500万平方公里。不过最近几年在全球人类的共同努力下，减少氟利昂的排放，南极上空的臭氧层空洞正在慢慢愈合。但同时，美国NASA发现在北极的上空又出现了一个面积相当于澳大利亚的巨大臭氧层空洞。而北极出现臭氧层空洞引发的问题更加危险，因为世界上大部分的人口都生活在北半球。

显然，人类对臭氧层的保护还任重道远。臭氧层是地球生命至关重要的保护伞，但是这把保护伞非常的脆弱。人类决不能忽视臭氧层空洞问题，不然类似地球历史上的生物大灭绝将会再次降临。

（作者系中国科学院南京地质古生物研究所研究员、南京古生物博物馆名誉馆长）

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