地球氧氣進化史，生產(chǎn)過程耗費40億年時間，10億年后有變數(shù)

人類能活到現(xiàn)在，氧氣是最大的功臣。沒有氧氣，或許不會有人類的出現(xiàn)，而無氧生物或?qū)⒋娉蔀樾碌闹髁鳌＝裉?，大約21%的地球大氣是由氧氣組成的，但是你知道這21%的氧氣地球是怎么生產(chǎn)出來的嗎？又是花了多少時間打造出來的呢？

地球氧氣進化史初

實際上，我們星球的大氣層經(jīng)過一段時間才發(fā)展到目前的可呼吸狀態(tài)。大約46億年前，最早的混合氣體在我們正在變冷的星球周圍形成了一層厚層，這與火山釋放的甲烷、硫化氫和二氧化碳沒什么區(qū)別。

這是一個充滿暴力的時代，不僅地球的內(nèi)臟在劇烈地攪動著揮發(fā)性物質(zhì)，來自太陽系內(nèi)部的冷巖石的持續(xù)轟擊也為地球提供了源源不斷的新鮮物質(zhì)。更大的碰撞偶爾會重新加熱表面，蒸發(fā)掉所有收集的水分，確保大氣仍然是一團熱氣。然而，從天空源源不斷地流下的礦物質(zhì)也以氨的形式提供了大量的氮。

氧氣是什么時候出現(xiàn)在地球大氣中的?

氧氣到底是什么出現(xiàn)的？關于這個問題還有很多細節(jié)我們還不知道。例如，早期的礦質(zhì)雨為地球提供了多少氮元素，我們并不完全確定。但大約在43億年前，地球上地獄般的環(huán)境終于開始變冷，太空巖石的泛濫也減緩了。

水體聚集在一起的時間足夠長，足以發(fā)生各種地球化學反應，這可能是生物化學反應的前體，從而使地球大氣層變得越來越厚，而這時候的地球大氣主要由二氧化碳和氮組成。雖然火山活動可能偶爾會“吹”出氧氣，但它很快就發(fā)生了反應，使得這顆行星在最初10億年左右的時間里基本上沒有氧氣，而真正使得氧氣發(fā)生大量聚集的轉(zhuǎn)折點是大氧化事件。

什么是大氧化事件?

地球在生物學上的最早嘗試是將一組分子的能量聚集在一起，并將其重新用于制造有機材料。在早期的某個時刻，也許在地球形成的數(shù)億年里，人們偶然發(fā)現(xiàn)了一種從某些化學物質(zhì)中吸收陽光提供的能量的機制。

雖然嚴格來說這是光合作用，但它不是那種會流下過量氧氣的光合作用。這種“含氧”的光合作用，可以追溯到30億年前。這種被稱為光系統(tǒng)II的生物機械為原始微生物提供了動力，使它們能夠?qū)⒍趸己退匦陆M合成它們所需要的組成部分，并提供充足的能量。

盡管幾億年來，氧氣一直在這個星球的海洋中打嗝，但大氣卻幾乎沒有變化。一種可能的解釋是，這種令人驚訝的缺氧現(xiàn)象是流星劃過天空的細雨，流下?lián)]發(fā)性氣體，這些氣體很容易與微量的分子氧發(fā)生反應。無論緩慢積累的原因是什么，大約24億年前，少量的氧氣最終聚集到一個顯著的水平，導致了被稱為大氧化事件。

氧氣對地球上的生命有益嗎?

這種突然過剩的氧氣對地球生物圈產(chǎn)生了什么樣的影響，這一點令人驚訝地很難說。理論上，氧是一種非?；顫姷脑?。即使在今天，我們也有專門的酶來處理游離氧造成的傷害，而游離氧會導致更精細的有機分子，比如DNA。所以很容易想象，如果沒有適應氧氣的能力，早期的生物就會大量死亡。

實際上科學家發(fā)現(xiàn)中間氧氣的消失完全有可能發(fā)生了一場災難性的滅絕。對封存在20億年礦物中的同位素的研究表明，當碳被封存在無數(shù)受苦的微生物的微小體內(nèi)時，氧氣濃度下降了。然而，解讀這個古老的記錄并不十分簡單，其他研究則對這一假設提出了質(zhì)疑，認為氧氣含量的下降可能不是由于任何重大的生命損失。到大約6億年前，我們大氣中氧分子的濃度終于達到了21%左右，這個時間花費了大約40億年的時間。

這一歷史時期正好與生物復雜性的出現(xiàn)相吻合，很難說在多大程度上，氧氣起到了作用，而不是從冰川覆蓋的全球表面釋放出的大量營養(yǎng)物質(zhì)。一方面，氧氣是今天從碳氫化合物中釋放大量能量的不可或缺的手段?，F(xiàn)代多細胞生物的完美燃料！另一方面，氧化作用和第一個復雜生物體的精確順序是有爭議的，這使得這種關系有點復雜。

地球會失去氧氣嗎?

人類依賴氧氣才能存活，只要陽光燦爛，植物開花，光合作用持續(xù)，似乎我們的星球的大氣中永遠都有相當數(shù)量的氧氣。但這種平衡不是永久性的。

大約10億年后，太陽輻射將強大到足以撕裂二氧化碳。如果沒有這種氣體，光合作用就會停止，氧氣就會下降到數(shù)十億年前最早期所未見的水平，而人類是否存在還是一個未知數(shù)。