地球早期生命所需的氧從哪裡來？
地球日 | 地球早期生命所需的氧從哪裡來？
轉至 2016-04-22 岩雪松 《海洋世界》雜誌社
早期的海洋中，存在大量的氧，但大氣中卻不存在氧氣。如果這種情況一直持續下去，地球早期的生命除了綠藻以外就所剩無幾了，那會是一個非常荒涼的世界。氧氣何時在大氣中出現？它的濃度何時達到了與我們現在相同的水平？
氧元素氧無疑是地球上最重要的元素，沒有氧，這個千姿百態的星球可能完全是另一種景象。那麼氧到底是何時與地球「相愛」的呢？
早期的海洋中，存在大量的氧，但大氣中卻不存在氧氣。如果這種情況一直持續下去，地球早期的生命除了綠藻以外就所剩無幾了，那會是一個非常荒涼的世界。一直以來，研究人員相信，氧氣在30億年前就已經存在於地球大氣層中了。這種推斷在很長一段時間內沒人反駁，因為30億年對人類而言實在是太久遠了……利用化石追蹤一些能夠產生氧氣的有機體的做法雖然很有效，但卻有著局限性——因為利用化石只能追溯到20億年前的時代，更早之前的地球發生的事情，就無法通過化石來進行研究了。
2000年，美國學院公園市馬里蘭大學的地質化學家發明了一種與硫同位素有關的技術。他發現，在24億年前，一直存在3種硫同位素之間的同位素變化的情況。這種情況並不像人們認為的那樣，依賴於同位素的質量。經他的研究，有理由相信，在24億年前，我們賴以為生的大氣中終於出現了氧氣。
然而，光是有氧氣，並不能讓我們的地球就此生機勃勃。就像人們到了青藏高原，會產生高原反應一樣，過於稀薄的大氣不足以讓生物生存。而大氣中的含氧量很明顯是經過了上億年的變化，才達到我們現在所知道的濃度的。那麼，海洋和大氣中的含氧量，一直以來是如何變化的呢？ ??大多數學者認為，海洋—大氣系統中氧氣含量的變化一直呈階梯狀，而且階梯的台階一直在上升。階梯的第一級，大約發生在26億年前，也就是所謂的「大氧化」事件時期，這個階段對真核生命的起源和進化具有重要的意義；階梯的第二級大約發生在前一級之後的兩個億年，這時候地球上首次出現了最早的動物多樣化特徵。 大氧化事件大氧化事件，是指約26億年前，大氣中的游離氧含量突然增加的事件，這一事件的具體原因尚不得知。大氧化事件使得地球上礦物的成分發生了變化，也使得日後動物的出現成為了可能。人們在青藏高原上會感到呼吸困難，頭疼欲裂，這便是空氣中氧的含量降低造成的??不過最近一個來自美國加州大學的研究小組認為早期的原始海洋—大氣系統中的氧氣含量變化並不是單一的上升趨勢，他們羅列出令人信服的證據，表明原始大氣中的氧含量在經歷了上升過程之後，有一個明顯的下降過程。 ??地球生化學教授蒂莫西·萊昂斯認為，海洋—大氣中的氧含量在23億到22億年前累積到最大，氧氣的濃度甚至接近我們今天的大氣。但是，一些新的數據表明，海洋—大氣系統中的氧氣濃度並不是一直在上升，大約在2億年前，海洋—大氣系統中氧氣的濃度有一個明顯的下降過程。 ??萊昂斯解釋說，這種海洋—大氣系統氧氣含量的下降，可能已經持續了超過10億年，造成地球表面氧氣濃度的回降，包括深海形成的低氧區。這種情況的出現也許是地球上出現動物的一個關鍵因素。 碳，還是硫？??他們是通過什麼方法得出這個結論的呢？首席研究員來恩·普蘭凱解釋說：「距今23億到21億年前是碳同位素最長久和最活躍的時候。」在光合作用過程中碳同位素被固定在有機物中。當有機物質被掩埋以後，氧氣被釋放到大氣中並增加了大氣中氧氣的濃度。掩埋的有機物可以通過同位素來進行跟蹤。 ??「有些研究人員認為，碳同位素可能會轉移到其他物質中去，而不會一直保留在有機物中，並且和氧氣釋放相關聯，」普蘭凱說，「我們在對來自美國、加拿大、南非和辛巴威岩石中的硫同位素的研究表明，有機掩埋能夠很好地解釋古代海洋—大氣系統中氧的變化。」 研究人員對硫的研究表明，古代海洋—大氣中氧含量開始下降的時候，海洋中硫酸鹽的濃度很高，和今天海洋中硫酸鹽的濃度差不多，這也意味著海洋—大氣系統中的氧含量較高。硫離子是海洋比較豐富的帶負電荷的離子，今天海洋中硫離子的含量仍然很高，因為硫鐵礦很容易被氧化，並且被掩埋在豐富含氧氣的海洋中。 ??萊昂斯說：「硫酸鹽含量的減少導致了氧氣含量的上升。為什麼會出現這種情況？這種變化如何影響了10億年的海洋化學及海洋生命？這些話題都是海洋研究的熱點。有的人認為，地球表面上氧含量的上升和下降是至關重要的，可以幫助人們理解環境和生物進化之間的聯繫。」
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