出品：科普中国
制作：冯伟民（中国科学院南京地质古生物研究所）
主管单位：中国科学院计算机网络信息中心
今天地球的大气层和海洋表面充满了氧气，滋养着地表大多数生物的生长。 但直到20世纪60年代，科学家们才发现，地球上的氧气并不是与生俱来的，而是来得很晚，直到地球经历了23亿年的漫长岁月才出现。 也就是说，地球迄今为止几乎用了一半的时间才改变了原来的厌氧或还原环境，即不含或含有极少量的游离氧和其他强氧化剂，而是富含一种大量的有机残留物和甲烷、氢气等还原性物质的环境，从而开始在有氧环境中进化。 有氧环境的形成主要归功于微小蓝藻长期不间断地释放氧气。
氧气不是与生俱来的？观看科学家对氧气生产的看法
美国科学家克劳德（Cloud）在1968年出版的《原始地球大气和水圈的演化》一书中首次证明了25亿年前大气中的氧气含量非常低。他在检查休伦湖以北的休伦超群岩石时在美国安大略省南部，他观察到了含有碎屑铀和黄铁矿的早期河流沉积物，其还原环境大约为 2.5 至 24 亿年前的产物，如下所示。 在较年轻的岩石中，铀和黄铁矿消失了，但出现了深红色的砂岩。 这些岩层被称为红层，表明存在氧化三价铁。
科学家詹姆斯对岩石硫同位素进行研究，根据其不同的分馏性质，发现地球历史不同时期岩石中所含的硫同位素分馏信息存在显着差异，并且这种差异的时间点可以精确定义在大约23.5到因此，23亿年前是地球上第一次大氧化事件发生的有力证据，当时大气中的氧气从无到有，其含量约为当今大气中氧气的1%。
地球历史不同时期岩石硫同位素分馏信息的不同表示。 （图片来源：et al., 2003）
图中横坐标是地球的年龄。 从4000万年到000万年，是指地球从最初到现在。 图中黑点代表每个样本的数据。 如果其对应的纵坐标值为0，则表示相关分馏质量正常。 从图中我们可以看到，在第1阶段，发生了大量与质量无关的分馏。 詹姆斯随后证明，这种异常现象主要是在早期地球岩石受到太阳紫外线照射时出现的，后来由于地球大气层形成臭氧层（平流层中氧气的一种形式）而消失。 形式）吸收紫外线，因此这种异常分馏的消失可以代表氧气的大规模出现。
一个国际科学家小组最近研究了来自加拿大哈德逊湾的重晶石，这种岩石已经存在了数十亿年，并储存了特定时间大气中氧气含量的信息。 研究小组利用这些岩石证明，大约 24 亿年前，大气中的氧气浓度急剧增加，他们的研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。
大氧气事件：生命的灾难，也是新生命
毫无疑问，大氧化事件对自然和生物学都产生了深远的影响。 它不仅为我们带来了今天所需要的铁矿石资源，还孕育了需要在有氧环境中呼吸和生存的真核生命，人类的生命从此开始了导致人类出现的进化历程。 然而，大氧化事件也导演了20亿年前生命史上的第一次大规模灭绝事件。 斯坦福大学的研究人员发现，地球上高达99.5%的生命消失了。 当时，地球海洋以单细胞藻类为主，自给自足的蓝藻吸收二氧化碳滋养自身，同时不断释放氧气，导致有氧环境的出现，即大氧化事件。 然而，有氧环境却对原本无氧的原核生命造成了致命的伤害，导致大部分生命的灭绝。 与6600万年前恐龙从地球上消失时相比，这次大灭绝显然更加惨烈。
大氧化事件引起的有氧环境的演变并不顺利。 在氧气的接力棒下，生物进化经历了数次灭绝与重生。 2014年，美国耶鲁大学学者在《科学》杂志上发表研究称，在氧气浓度较高的情况下，地球岩石中的一些铬同位素很容易被氧化溶解在水中，流入海洋，导致岩石中出现这种现象。 一些铬同位素被还原。 因此，研究不同历史时期岩石的铬同位素水平可以反映相关年份的大气氧浓度。 这证明在第一次重大氧化事件之后，地球环境再次进入了长期的低氧环境。
那么，为什么会进入长期缺氧的环境呢？ 科学界提出了理论模型“有机碳库模型”，该模型表明前寒武纪海洋表面光带的光合微生物主要是原核生物，这些微生物死亡后有机物容易氧化降解。 海水不断积聚，就像一片巨大的沼泽。 水中大量的腐殖质有机物不断消耗海水中的氧气，导致海水缺氧。 这种情况持续了近十亿年，直到600-5.2亿年前才得到根本改变，形成了第二次重大氧化事件。
生物进化的飞跃——第二次大氧化事件
今年以来，由南京古生物研究所朱茂炎研究员和伦敦大学科学家组成的研究团队在早期生物进化和大氧化事件方面取得了一系列成果。 他们发表在《自然-地球科学》上的研究表明，第二次大氧化事件形成的主要原因是大规模的造山运动，通过风化和剥蚀将大量的蒸发矿物输送到海洋中。 由于富含硫酸盐的蒸发岩是一种氧化剂，硫酸盐还原菌可以氧化海水中的有机物，形成埋藏在沉积物中的黄铁矿，导致当时海洋中的有机碳库迅速减少。 同时，随着海洋中有机碳的快速氧化，大量CO2排放到大气中，进一步导致大气变暖，从而加强陆地风化和蒸发物向海洋的输入进一步氧化了海洋中的有机碳库，形成了海洋氧化的正反馈机制，导致大气和海洋中的氧气迅速增加，为海洋上大型复杂多细胞生命的快速进化奠定了基础条件。地球。
