氧從哪里來？

撰文/巖雪松

氧從哪里來？

撰文/巖雪松

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(xù)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?；臎龅氖澜?。氧氣何時在大氣中出現(xiàn)？它的濃度何時達到了與我們現(xiàn)在相同的水平？

氧無疑是地球上最重要的元素，沒有氧，這個千姿百態(tài)的星球可能完全是另一種景象。那么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(xù)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(jīng)存在于地球大氣層中了。這種推斷在很長一段時間內(nèi)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(chǎn)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(fā)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(zhì)化學家發(fā)明了一種與硫同位素有關的技術(shù)。他發(fā)現(xiàn)，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。這種情況并不像人們認為的那樣，依賴于同位素的質(zhì)量。經(jīng)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于出現(xiàn)了氧氣。

大多數(shù)學者認為，海洋—大氣系統(tǒng)中氧氣含量的變化一直呈階梯狀，而且階梯的臺階一直在上升。階梯的第一級，大約發(fā)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

然而，光是有氧氣，并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(chǎn)生高原反應一樣，過于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(jīng)過了上億年的變化，才達到我們現(xiàn)在所知道的濃度的。那么，海洋和大氣中的含氧量，一直以來是如何變化的呢？二級大約發(fā)生在前一級之后的兩個億年，這時候地球上首次出現(xiàn)了最早的動物多樣化特征。

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(tǒng)中的氧氣含量變化并不是單一的上升趨勢，他們羅列出令人信服的證據(jù)，表明原始大氣中的氧含量在經(jīng)歷了上升過程之后，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(shù)據(jù)表明，海洋—大氣系統(tǒng)中的氧氣濃度并不是一直在上升，大約在2億年前，海洋—大氣系統(tǒng)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(tǒng)氧氣含量的下降，可能已經(jīng)持續(xù)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(qū)。這種情況的出現(xiàn)也許是地球上出現(xiàn)動物的一個關鍵因素。

碳，還是硫？

他們是通過什么方法得出這個結(jié)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(zhì)被掩埋以后，氧氣被釋放到大氣中并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(zhuǎn)移到其他物質(zhì)中去，而不會一直保留在有機物中，并且和氧氣釋放相關聯(lián)，”普蘭凱說，“我們在對來自美國、加拿大、南非和津巴布韋巖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(tǒng)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(tǒng)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，并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。為什么會出現(xiàn)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(huán)境和生物進化之間的聯(lián)系。”

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(fā)生了變化，也使得日后動物的出現(xiàn)成為了可能。