回首23億年氧氣濃度波動，地球生命走到今天，竟花光全部運氣

　　23億年前，地球幾乎失去了全部的氧氣

　　一項研究将地球大氣中氧氣濃度的永久性上升相較于此前的估計推遲了1億年。

　　^今天的南極洲冰川。地球早期的增氧事件可能引發了冰川期，屆時地球的表面覆蓋着大量如圖所示的冰川。（圖片來源：NASA/邁克爾·斯圖林格）

　　如一項新的研究所示，相較于過去預計中長一億年的斷續進程，使地球永久性的擁有富含氧氣的大氣。

　　45億年前，地球誕生之際，大氣層中幾乎沒有氧氣。然而，在24.3億年前，變化發生了：氧氣的含量先是上升，然後下降，伴随着氣候的巨變——這其中包括了也許曾經使全球覆蓋在冰層之下的數個冰川期。在那個年代被閉鎖于岩層中的化學印迹表明，23.2億年前，氧氣曾經長久地存在于地球大氣之中。

　　然而，對距今23.2億年前的那段時間的最新深入研究探明，直至22.2億年前，氧氣的濃度仍然像悠悠球那般波動，直到地球系統達到一個永久的轉折點。研究的結果将科學家們稱為“大氧化”的事件所持續的時間延長了一億年，并且有可能證實大氣富氧化與大型氣候波動之間的聯系。

　　“我們才剛剛開始看到這項事件的複雜性，”這項研究的共同作者，來自加利福尼亞大學河濱分校的地理學家安德瑞·貝克爾說。

　　如何穩定氧氣濃度

　　在大氧化事件中産生的氧氣來自于藍細菌，一種能夠通過光合作用生産能量的細菌。氧氣是光合作用的主要副産品。最終，早期的藍細菌産生了足以永遠改變我們這顆星球的面貌的大量氧氣。

　　這場變化的痕迹被保留在海底沉積岩裡。在沒有氧氣的大氣層中，這些岩石将會帶有特殊的硫同位素。（同位素：擁有不同數量的中子的元素原子）當氧氣出現時，這些硫同位素将會消失，因為産生它們的化學反應不能在含有氧氣的環境下發生。

　　長久以來，貝克爾和他的同事們都在研究這些硫同位素信号出現和消失的情況。他們和其他的研究者注意到，氧氣濃度的上升和下降似乎與發生于距今25到22億年前的三次全球冰川期相關聯。然而奇怪的是，第四次，也是那段時間中的最後一次冰川期并沒有與大氣中氧氣濃度的波動重合。

　　研究者們對此感到困惑，貝克爾向《生活科學》（live science）雜志提到，“為什麼我們經曆了四次冰川期，其中三次都能與大氣氧氣濃度關聯并由此獲得解釋，然而它們中的第四次卻顯得如此孤立？”

　　為了探尋真相，他們研究了來自南非的更年輕的岩石。這些海底岩石來自于大氧化時代的後期，從第三次冰川期的末尾到距今大約22億年。

　　^生物化學家西蒙·博爾頓（左一）正在向鑽探所得的沉積岩岩芯噴水，以便選擇将要研究的樣本。（圖片來源：安德瑞·貝克爾/UCR）

　　他們發現，在第三次冰川期之後的大氣層起初并不含有氧氣，此後氧氣的濃度上升，然後再次下降。氧氣濃度于23.2億年前再度上升——起初科學家們認為那是大氣永久富氧化的時間。然而，在更年輕的岩石裡，貝克爾和他的同事們再度探測到了氧氣濃度的下降。這次降低與最後一次冰川重合，而這次冰川此前并沒有被與大氣變化關聯。

　　“在那個早期年代裡，大氣中的氧氣十分不穩定，有時濃度上升到極高，有時下滑到極低水平，”貝克爾說，“這是我們不曾預計到的——直到經曆了最近四五年[的研究]之後。”

　　藍細菌VS火山噴發

　　研究人員們仍然在尋找這些波動背後的原因，他們已經有了一些頭緒。一個重要的因素是甲烷，一種吸熱能力比二氧化碳更高的溫室氣體。

　　時至今日，相較于二氧化碳，甲烷在全球變暖中扮演一個較為次要的角色。原因在于甲烷會在大約十年之内與氧氣反應而從大氣中消失，與此同時二氧化碳能保留上百年。然而，在大氣中沒有或幾乎沒有氧氣的情況下，甲烷能存留更久并且成為更重要的溫室氣體。

　　因此，氧化事件與氣候變化的次序很有可能是：藍細菌開始産生氧氣，與當時大氣中的甲烷反應，最後剩下二氧化碳。這些二氧化碳不足以填補甲烷留下的空缺，因此我們的星球開始降溫。冰川開始擴張，地球表面變得寒冷且被冰層覆蓋。

　　将我們的星球從永久的深度冰凍之中拯救的，是冰川下的火山。火山活動将導緻二氧化碳濃度劇增，變得足以使地球再次溫暖。此時被冰層覆蓋的海洋之中，氧氣的産生會因為藍細菌接收到的陽光較少而落後一步。來自火山和微生物的甲烷開始在大氣中累積，從而加快了升溫的步伐。

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　　然而源于火山的二氧化碳還有一個主要的功能。當二氧化碳與雨水反應時，其産生的碳酸能比中性的純雨水更快地溶解岩石。岩石的風化被加快，把磷等營養物質更多地帶進海洋中。距今20億年前，這樣的營養物質内流會使産生氧氣的海洋藍細菌達到生産高峰，極大地增加大氣中氧氣的濃度，降低甲烷的濃度，由此開始新的循環。

　　最終，另一場地理巨變打斷了氧化-冰川循環。這樣的規律似乎終結于22億年前，當時的岩石記錄表明更多有機碳物質被掩埋，這意味着光合生物們生活在它們的黃金年代。沒有人知道是什麼促成了這個轉折點。貝克爾和他的同事們假設道，這段時間内的火山活動使大量營養物質流入海洋，為藍細菌提供了一切生存所需的條件。在那個時間點上，貝克爾說道，氧氣的濃度是如此的高，足以使甲烷永世不得翻身，不再能大規模地影響氣候。來自火山活動和其他源頭的二氧化碳，最終成為了占據統治地位的溫室氣體，使我們的星球保持溫暖。

　　世界各地有許多來自于同一時代的岩層結構，貝克爾說道，包括西非、北美、巴西、俄羅斯與烏克蘭在内。這些古代的岩石需要更多研究，來揭示早期氧化循環的過程，他表示道，尤其是為了理解這些波動如何影響我們這顆星球上的生命。

　　BY:Stephanie Pappas

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