呼吸由誰決定？地球早期氧氣的產(chǎn)生之謎

出品：科普中國

作者：Denovo團(tuán)隊(duì)

監(jiān)制：中國科普博覽

氧元素大家并不陌生，它幾乎可以與元素周期表上所有其他元素形成化合物。地球大氣中約有21%的氧氣，那大氣中的氧氣是從哪里來的呢？

或許這個(gè)問題連小學(xué)生都知道——光合作用唄，也就是由綠色植物、藻類和某些細(xì)菌將陽光、水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖和氧氣過程。

那你想過沒有，將時(shí)間倒退回幾十億年前的地球，那時(shí)地球上的氧氣又是從哪里來的呢？最早期的氧氣也是由光合作用產(chǎn)生的嗎？

大氣中的氧氣

（圖片來源：Veer圖庫）

大氧化事件：地球的呼吸之源

在大約在45.7億年前，太陽在銀河系中一個(gè)不起眼的角落里形成，太陽形成后剩下的物質(zhì)凝聚成了我們太陽系的其余部分，當(dāng)然包括在大約45.5億年前誕生的地球。

自地球形成后到現(xiàn)在的45.5億年，大約有一半的時(shí)間里，這顆星球上幾乎沒有氧氣或氧氣非常稀薄。直到大約24億年前，大氣中氧氣的濃度顯著增加，大氧化事件（Great Oxidation Event，GOE）發(fā)生了。在這一時(shí)期，大氣氧氣濃度增加化對(duì)地球上的生命和環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

就在大氧化事件的前2-3億年，地球大氣中的氧氣極為稀薄。一部分研究認(rèn)為，藍(lán)細(xì)菌等早期微生物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，同時(shí)將氧氣作為副產(chǎn)品釋放到水體中。隨著時(shí)間的推移，這些氧氣逐漸積累，并最終進(jìn)入大氣層。

25億年前至20億年前地球化學(xué)數(shù)據(jù)及地質(zhì)記錄匯總

棕色區(qū)域代表的是傳統(tǒng)意義上的“大氧化事件”（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

氧氣進(jìn)入大氣后，對(duì)當(dāng)時(shí)的生物和地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。對(duì)許多原始無氧呼吸的生物來說，氧氣是有毒的，導(dǎo)致了大量生物的滅絕。與此同時(shí)，氧氣與大氣和海洋中的化合物反應(yīng)，形成了新的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，例如赤鐵礦層。

盡管氧氣導(dǎo)致了許多生物的滅絕，但它也為新的、更復(fù)雜的生命形式鋪平了道路。有了氧氣，一些生物演化出了利用氧氣生活的新方式，從而形成了更復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。

大氧化事件不僅改變了地球的生物和地質(zhì)環(huán)境，還為科學(xué)家們提供了探索地球早期歷史和生命起源的重要線索。

地球物種的多樣性（圖片來源：Veer圖庫）

氧氣增加的原因之一：原來是鎳！

當(dāng)然，還有很多其他科學(xué)研究也為大氧化事件提供了線索。早在2009年，一篇發(fā)表在《自然》雜志上的論文推測(cè)了大氣中氧氣濃度增加的一個(gè)原因。

研究人員分析了數(shù)十個(gè)地點(diǎn)內(nèi)沉積巖中的微量元素，發(fā)現(xiàn)原始海洋中的鎳含量是目前水體的 400 倍。早期地球的海洋中有很多可以產(chǎn)生甲烷氣體的微生物，這些產(chǎn)甲烷的微生物喜歡富含鎳的水生長和繁殖，并會(huì)向大氣中釋放大量的甲烷氣體，推測(cè)甲烷氣體阻止了氧氣積聚。

甲烷分子結(jié)構(gòu)圖（圖片來源：中國科學(xué)院）

科學(xué)家對(duì)巖石進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，大約24 億年前，可能是因?yàn)?strong>地幔的冷卻和凝固，導(dǎo)致海洋溶解的鎳逐漸析出。由于海洋中鎳的減少，依賴鎳生活的產(chǎn)甲烷菌也無法生存，并為藻類和其他在光合作用過程中釋放氧氣的生命形式留下空間。這對(duì)大氧化事件提供了另一個(gè)可信的解釋。

火山活動(dòng)：地球氧氣的又一猜想

一篇在2021年發(fā)表于《美國科學(xué)院院報(bào)》的文章，主要探討了地球大氣中氧氣出現(xiàn)的早期階段，特別是在大氧化事件前發(fā)生的 “小型”氧氣增加現(xiàn)象，研究人員推測(cè)這一早期的氧氣增加可能是由火山活動(dòng)觸發(fā)的。

火山活動(dòng)（圖片來源：Veer圖庫）

研究人員通過分析來自西澳大利亞的地層鉆芯，找到了與火山活動(dòng)相關(guān)的汞的富集和氧化風(fēng)化的跡象。這些證據(jù)支持了火山活動(dòng)在這一早期氧氣增加中起到了關(guān)鍵作用的假設(shè)。

火山活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生富含營養(yǎng)的熔巖和火山灰，這些物質(zhì)經(jīng)風(fēng)化后釋放到河流和其他水源。例如，大量玄武巖地殼的風(fēng)化會(huì)釋放出含磷基礎(chǔ)營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)了藍(lán)細(xì)菌和其他單細(xì)胞生物的繁殖，從而產(chǎn)生了更多的氧氣。研究人員推測(cè)，火山活動(dòng)還能通過與火山氣體的反應(yīng)為大氣中的氧提供一個(gè)長期的消耗途徑。

藍(lán)細(xì)菌（藍(lán)藻）（圖片來源：Veer圖庫）

氧氣增加是由于氧氣產(chǎn)量的增加，而不是由于氧氣被巖石或其他非生物過程消耗的減少。這一點(diǎn)對(duì)于理解復(fù)雜生命演化有重要意義。

二氧化硫光解：非生物產(chǎn)氧的新途徑

那么在藍(lán)藻產(chǎn)生并開始釋放氧氣之前，地球上難道一丁點(diǎn)氧氣都沒有嗎？如果有一丁點(diǎn)的話，氧氣是哪里來的呢？

近日，中國科學(xué)院的科學(xué)家們?cè)凇痘瘜W(xué)科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇論文，發(fā)現(xiàn)二氧化硫分子光解可產(chǎn)生硫原子和氧氣，為地球早期大氣中氧氣的來源提供了新途徑。

科學(xué)家們利用世界上最亮且波長完全可調(diào)的極紫外自由電子激光光源——大連光源，將其波長范圍調(diào)整在120至160 納米之間，直接將二氧化硫解離生成了硫原子和氧氣。

大連光源裝置（圖片來源：中國科學(xué)院）

由于光子本身帶有能量，波長越短，光子的能量就越高。在實(shí)驗(yàn)中他們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波長為121.6納米時(shí)，產(chǎn)率可達(dá)到約30%。該過程是繼二氧化碳和水分子光化學(xué)產(chǎn)氧之后新發(fā)現(xiàn)的非生物產(chǎn)氧途徑。

二氧化硫光解示意圖（圖片來源：中國科學(xué)院）

現(xiàn)在問題又出現(xiàn)了，為什么科學(xué)家們要選擇121.6納米呢？

這是因?yàn)?21.6納米的Lyman-α線的波長，是氫原子光譜中的一個(gè)特定波長。氫是宇宙中最豐富的元素，Lyman-α輻射在許多天文現(xiàn)象和恒星活動(dòng)中都非常常見。在恒星，尤其是年輕、活躍和高溫的恒星中，真空紫外線輻射是一個(gè)重要的能量輸出渠道。

在這些恒星的真空紫外線輻射中，Lyman-α線通常是最強(qiáng)最為豐富的一條光譜線，這一特性使Lyman-α成為了研究恒星活動(dòng)、星際介質(zhì)、以及行星大氣等多個(gè)領(lǐng)域的有用工具。

地球太古晚期的火山噴發(fā)釋放出二氧化硫氣體，隨后大量的二氧化硫氣體進(jìn)入大氣層，研究人員推測(cè)在光照下二氧化硫光解產(chǎn)生出了氧氣。這意味著二氧化硫的真空紫外線光解作用可能為地球原始大氣中的氧氣來源提供了一個(gè)新的重要途經(jīng)。

結(jié)語

地球及其物質(zhì)的起源與演化是一個(gè)復(fù)雜而奇妙的過程，盡管氧氣在日常生活的每分每秒都伴隨著我們，但它的來源與產(chǎn)生仍是一個(gè)有待繼續(xù)揭開的謎題。物質(zhì)世界紛繁復(fù)雜，也正是這些不斷探索的過程，才讓人類領(lǐng)略到了自然界的真正魅力。

參考文獻(xiàn)：

[1]Poulton, S. , Bekker, A. , Cumming, V. , Zerkle, A. , Canfield, D. , & Johnston, D. . (2021).A 200-million-year delay in permanent atmospheric oxygenation. Nature, 592(7853), 232-236.

[2]Farquhar, James, Huiming Bao, and Mark Thiemens. "Atmospheric influence of Earth's earliest sulfur cycle." Science 289.5480 (2000): 756-758.

[3]Konhauser, Kurt O., et al. "Oceanic nickel depletion and a methanogen famine before the Great Oxidation Event." Nature 458.7239 (2009): 750-753.

[4]Meixnerová, Jana, et al. "Mercury abundance and isotopic composition indicate subaerial volcanism prior to the end-Archean “whiff” of oxygen." Proceedings of the National Academy of Sciences 118.33 (2021): e2107511118.

[5]Lu, Zhou, et al. "Evidence for direct molecular oxygen production in CO2 photodissociation." Science 346.6205 (2014): 61-64.

[6]Chang, Yao, et al. "Vacuum ultraviolet photodissociation of sulfur dioxide and its implications for oxygen production in the early Earth's atmosphere." Chemical Science (2023).