在漫長的地球歷史演化中，冰河時代來了又去，地球氣候交替著一首冰與火之歌，即冰期-間冰期氣候旋迴。

冰河世紀

在每次的冰期旋迴中，溫暖溼潤的氣候環境僅僅持續幾千年，而剩下的幾萬年中地球幾乎一直處在一個有大陸冰蓋存在的寒冷冰期。每當地球氣候發生突變時，地球生命就面臨著嚴峻的考驗，那麼，地球冷熱交替究竟是如何形成的呢？

米蘭·柯維奇

早在20世紀初，南斯拉夫地球物理學家米蘭·柯維奇就提出了著名的米蘭科維奇迴圈氣候變化理論（Milankovitch cycles），他透過計算過去數百萬年地球的離心率、轉軸傾角和軌道的進動的變化，發現這些引數的變化規律與地球氣候變化存在一定關係，並提出地球軌道變化引起的夏季太陽輻射的變化是驅動氣候波動的主要因素。

地球軌道的變化由三個主要引數控制，即軌道偏心率、地軸傾角和歲差，其對應的週期分別為約10萬年和40萬年、4.1萬年、2.1萬年。在地球圍繞自轉軸自轉和在軌道上繞著太陽公轉的過程中，地球在這些運動方向上的變化週期性地改變太陽輻射抵達地球的方向和數量，從而影響了地球的溫度起伏和冰期形成。

1976年，J.D.Hays等人透過分析髙解析度和長時間尺度的深海巖芯證實了米蘭科維奇迴圈，為進一步探索冰期氣候的演變規律指明瞭方向。

然而，地球軌道的輕微變化到底如何驅動地球冰期-間冰期氣候旋迴的大氣候波動呢？近日，發表在《自然》科學雜誌的上一篇文章給這個問題，提供了一種地球偏心引起地球生物圈和碳迴圈變化，從而改變地球氣候的新視角。

地球軌道偏心率

在太陽系中，地球繞太陽的軌道並不總是完美的圓形軌道，而是橢圓形，平均的離心率是0.028（離心率是測量橢圓與圓形的偏差）。因為受到木星和土星不同引力的互動作用影響，這種橢圓形軌道也會發生變化，週期是10萬年和40萬年。奇怪的是，在過去的280 萬年的地球歷史中，冰期-間冰期之間的迴圈與 100,000 年的地球軌道離心公轉離心率同步。

顆石藻

與此同時，這種週期同時與海洋中一種廣泛分佈的浮游生物——顆石藻的枯榮週期表現出強烈的對應關係，因此，科學家提出了地球軌道偏心率的變化引起地球植物週期性演化，推動了地球大氣中二氧化碳的循化，最終導致地球氣候表現出週期的波動。

2.浮游植物的迴圈進化

顆石藻

顆石藻是一種非常古老的微型藻類，在2.15 億年前的三疊紀級就登上了地球生命演化的舞臺，在其單細胞周圍形成微小的圓粒 ,稱為顆石，這些顆石是由許多微小的方解石薄片組成。在過去 2.2 億年左右的時間裡，球石藻在海洋碳迴圈中發揮了獨特的雙重功能。

與所有浮游植物一樣，球藻不僅可以透過光合作用將海水中溶解的二氧化碳轉化為有機碳，而且可以將二氧化碳變成顆石，即由碳酸鈣組成的外殼。當它們死後，顆石藻會沉入海底，變成石灰岩。據統計，顆石藻貢獻了海洋中一半以上的碳酸鹽巖沉積，因此顆石藻在地球碳迴圈過程中佔有重要的地位。

顆石藻

因此，研究人員利用全自動顯微鏡和人工智慧技術，對900多萬個顆石進行了測量和分類，這些顆石來自於熱帶海洋的多個地點，且具有280萬年的時間跨度。他們發現，顆石藻的大小和形狀變化具有2個週期，分別為10萬年和40萬年，這與地球公轉軌道的形狀變化表現出相似的規律性。

那麼地球公轉軌道如何影響顆石藻的大小與分佈的呢？

萬物向陽而生，顆石藻亦是如此。

當地球繞太陽運動軌道的幾何形狀發生變化時，地球表面所接受到的來自太陽的輻射能量也隨之發生改變。

科學家預測當地球公轉軌道更圓、偏心率更低時，赤道地區的季節變化較小，但是中高緯度地區將處於一個較低的溫度區，海洋上主要存在的顆石藻具有中等大小的顆石。

但是在這種情況下，生存環境的穩定並不利於生物的多樣性發展，甚至可能導致滅絕。這種情況不利於顆石藻對溶解在海洋中的二氧化碳的吸收，因此大氣中含有較高的溫室氣體，地球溫度出去高溫環境，地球將迎來間冰期。

而當地球軌道的偏心率增加時，赤道附近會出現多個季節，也將即季節性溫度氣溫變化增大，中緯度地區也在不同的季節迎來較高的溫度。

此時，顆石藻的顆石具有一系列不同的粒徑大小，顆石藻的生物多樣性得到擴張，在不同的緯度地區將形成不同的生態位，海洋中的顆石藻將大量繁殖，導致顆石藻大量吸收大氣中的二氧化碳，溫室氣體濃度降低，有利於地球降溫，地球將迎來冰期。

總結

儘管，顆石藻多形性演化可以明顯影響地球碳酸鹽的沉積模式，但單獨的顆石藻的生產力可能並不能引起地球氣候環境的冷熱交替。

地球碳迴圈

但是別忘了，顆石藻只是浮游植物的一種，其他浮游植物群也可能存在隨地球軌道週期性變化而週期性擴張和收縮。在這種情況下，海洋中的浮游植物可能已經足夠強大到可以調節地球碳迴圈，從而改變地球的氣候。

地球軌道變化、浮游植物演化和全球碳迴圈之間的這種聯絡，可能是地球冰期-間冰期氣候旋迴的原因之一，當然，這個推論還需進一步研究。

氣候變暖

探尋過去氣候變化的原因，嘗試揭示不同時空尺度生物-地球過程的協同作用對氣候變化的影響，並不僅是因為好奇。以史為鑑，以知興替。只有努力掌握氣候演變的規律，才能更好地預測和應對未來的氣候變化，指引人類可持續發展的方向。

參考文獻：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