氧氣的誕生之旅——5億年前，生產(chǎn)氧氣的大功臣竟然是一種石頭嗎

植物可以通過光合作用將空氣中的二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成氧氣。但你知道，這個世界上還有哪些生物可以 為人類生產(chǎn)源源不斷的氧氣嗎？還有，你知道5億年前生產(chǎn)氧氣的大功臣竟然是一種石頭嗎？

早期地球的氧氣含量極低

空氣里有多少氧氣？大家都會說，21%！但是在很早以前，地球上的氧氣含量卻遠沒有這么高。已有研究表明，早期地球是極端缺氧的。實際上，在地球接近46億年的歷史中，有著近一半的時間可供動植物進行自由呼吸的氧氣的含量，還不到現(xiàn)在大氣氧含量的0.001%！而現(xiàn)在占據(jù)現(xiàn)代大氣含量21%的氧氣，都是經(jīng)過一系列自然界的增氧事件慢慢積累起來的。地球上發(fā)生的比較顯著的增氧事件有兩次，我們稱之為大氧化事件。尤其是在距今5.8億-5.2億年前后，地球早期大氣和海洋中的氧氣含量發(fā)生了快速增加的現(xiàn)象，快速增氧現(xiàn)象的產(chǎn)生，都要歸功于一種“石頭”——蒸發(fā)巖。

石頭可以產(chǎn)氧氣？這并不是天方夜譚。2019年9月2日，中英兩國科學家在《自然-地球科學》發(fā)表論文，在地球不斷演進過程中產(chǎn)生的大規(guī)模地殼運動，將很多平原變成山脈，甚至還將一些山脈推入了海水中，而蒸發(fā)巖作為這類山脈的一種主要物質(zhì)來到海水中之后，對大洋進行了氧化。這使得普遍缺氧的深部大洋含氧量大幅度提升，從而催生了生命的起源，為地球大型復雜多細胞生命的快速演化奠定了基本條件。

第一次大氧化事件：藍藻的產(chǎn)生

雖然證明了石頭產(chǎn)氧，但藍藻是第一次大氧化事件的主要功臣。第一次大氧化事件發(fā)生在距今大約24億年前后。由于藍藻（原核生物的一種）長期勤勤懇懇的光合作用，產(chǎn)生的氧氣終于消耗掉了地球早期存在的大量還原性物質(zhì)，還清了“祖祖輩輩留下的債務(wù)”，開始了氧氣的原始積累。藍藻的產(chǎn)氧使得大氣中的氧氣含量達到了現(xiàn)代大氣氧含量的1%，并隨著氧氣層的逐漸豐厚，使得真核生物在地球上首次出現(xiàn)。

隨著真核生物的誕生，地球上開始出現(xiàn)了一批自發(fā)消耗氧氣的生物。生物的耗氧和產(chǎn)氧本應該是一個良性循環(huán)，但是科學家發(fā)現(xiàn)，隨后長達十幾億年的時間內(nèi)，大氣中的氧氣含量卻并沒有進一步增加，甚至還低于第一次大氧化事件時期的水平。對于前寒武紀海洋中的氧氣含量為什么長期很低的問題，目前學界有一種說法，是因為原核植物中存在“有機碳庫模型”。該模型認為前寒武紀海洋表層透光帶內(nèi)進行光合作用的微生物主要是原核生物（藍藻），這些藍藻在死亡之后，依然存在于海水之中，通過海水中的氧氣來進行自身的氧化降解。這些藍藻以及多種原核細胞生物在生前不斷地進行光合作用產(chǎn)生氧氣，又因為大量死亡累積成有機碳庫消耗著海水中的氧氣，這樣一種循環(huán)的過程也最終使得整個地球的生態(tài)系統(tǒng)含氧量不斷降低。

第二次大氧化事件：生物與環(huán)境的自適應機制

直到距今5.8億-5.2億年前后，地球發(fā)生了第二次大氧化事件，隨著第二次大氧化事件的發(fā)生，大氣中的氧氣含量增加到現(xiàn)代大氣氧氣含量的60%以上的水平，大洋也全部氧化，氧氣含量的提升帶來了多細胞真核生物的大輻射，以及動物的快速起源和寒武紀生命大爆發(fā)。

原核生物

生物中的一大類。由原核細胞（沒有真正細胞核的細胞）構(gòu)成的生物，如細菌、病毒、立克次體、螺旋體等。

真核生物

細胞具有細胞核的所有生物的總稱。它包括所有動物、植物、真菌和其他具有由膜包裹著的復雜亞細胞結(jié)構(gòu)的生物。

2019年5月6日，由中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所朱茂炎研究員和英國倫敦大學學院Graham Shields教授領(lǐng)銜的中英國際合作團隊在《自然一地球科學》上發(fā)表論文，證明動物在大約距今5.2億年前后階段性的快速輻射演化（寒武紀生命大爆發(fā)）是因為受到了大氣和海洋中氧氣含量的控制。他們認為，第二次氧氣大爆發(fā)帶來了生物的誕生，同時也產(chǎn)生了“生物與環(huán)境協(xié)同演化模型”。

生物與環(huán)境協(xié)同演化模型其實是一種生物主動適應環(huán)境并與環(huán)境進行協(xié)同的機制。他們推測，在海水中氧氣含量達到原始動物生存的最低需求時，動物就會對海洋中的懸浮物及有機物進行捕捉。它們捕食海水中有機物的行為，讓原先海水中消耗氧氣的有機物得到了緩解。海水懸浮有機質(zhì)的減少，加速了海水有機質(zhì)的消耗和埋藏，最終讓海洋和大氣中氧氣不斷增加。這樣一種循環(huán)機制，形成了動物演化與氧氣增加的正反饋機制，讓地球的含氧量得到了逐步的提升。

理論上，這種正反饋機制最終將表現(xiàn)為氧氣增加的線性加速。然而，在距今5.8億-5.2億年前后大氣和海洋氧氣含量卻又產(chǎn)生了多次的上下波動，為什么動物主動適應環(huán)境后仍然會產(chǎn)生氧氣含量的波動，這還是與奇特的石頭——蒸發(fā)巖有關(guān)。

蒸發(fā)巖的加入打破平衡的關(guān)鍵

在《自然一地球科學》發(fā)表的最新研究中，朱茂炎等中英合作團隊通過分析距今9億年以來全球海水碳酸鹽的碳同位素（δ13C）演變過程中發(fā)現(xiàn)，在寒武紀后期，碳含量出現(xiàn)了一種波動，時而大爆發(fā)，時而負增長，出現(xiàn)這種原因，是因為地球的運動將大量沉積的蒸發(fā)巖輸入了海洋。

距今5.7億年前后，地球上的主要大陸通過拼合形成了一個岡瓦納超大陸和位于超大陸內(nèi)部的超級中央造山帶，這時候的山體多數(shù)是來自具有豐厚碳物質(zhì)的蒸發(fā)巖，蒸發(fā)巖富含硫酸鹽，能夠?qū)Ｋ械挠袡C物進行氧化，并形成黃鐵礦沉入海底。同時，海洋中有機碳的快速氧化，向大氣排放大量二氧化碳，進一步導致大氣升溫，加強了陸地風化作用和蒸發(fā)巖向海洋的輸入量，海洋中有機碳庫進一步被氧化，形成一個海洋氧化的正反饋作用循環(huán)系統(tǒng)，使得大氣和海洋中的氧氣快速增加。

同時，科學家還通過數(shù)學推算證明，時至今日，海洋中的蒸發(fā)巖仍然對海洋有著十足的氧化作用。這也證明了地球內(nèi)部運動過程中引起的巖石圈運動是地球表層系統(tǒng)發(fā)生革命性改變的原始驅(qū)動力。

不僅5億年前蒸發(fā)巖為地球供氧作出貢獻，地球也因為氧氣大爆發(fā)事件產(chǎn)生了寒武紀生命大爆發(fā)以及多種生物。從這里可以看出氧氣是地球生物賴以生存的基礎(chǔ)，也是氣候調(diào)節(jié)作用中最重要的物質(zhì)。所以保持海水的清澈，珍惜地球的氧氣，讓森林、植被生活在我們的周圍，這樣才能避免極端天氣的產(chǎn)生，讓我們每一天都生活在安全舒適的自然環(huán)境中。

（責任編輯：趙夢祺 責任校對：曹偉）

寒武紀生命大爆發(fā)

是大約5.42億年前到5.3億年前，在地質(zhì)學上被認為是寒武紀的開始時間，寒武紀地層在2000多萬年時間內(nèi)突然出現(xiàn)門類眾多的無脊椎動物化石，而在早期更為古老的地層中，長期以來沒有找到其明顯的祖先化石的現(xiàn)象，被古生物學家稱作“寒武紀生命大爆發(fā)”，簡稱“寒武爆發(fā)”