氧气，从毒性气体到有用气体：前40亿年地球氧气演变史

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氧气，从毒性气体到有用气体：前40亿年地球氧气演变史

氧气还能毒害生命？25亿年前突然剧增的氧气彻底改变地球

为什么地球24亿年前突然有了氧气？

研究人员发现氧气何时何地开始上升

一、氧气，从毒性气体到有用气体：前40亿年地球氧气演变史

(目前正在长期更新地球演化系列文章，欢迎大家关注。)

一、 有毒的氧气

45.7亿年前，地球形成了，形成之初的地球，遍地是火山，火山喷发带来了大量的水蒸气，这些水蒸气冷却下来后沉淀在地表的低洼地带形成了原始的海洋。

原始海洋想象图 图/网络

经过数亿年的缓慢演化，这些原始的海洋中出现了原始的生命。几乎一直到35亿年以前，整个地球上都是没有氧气的，从35亿年前开始，地球上演化出一些能够进行光合作用的细菌：蓝藻（又称蓝细菌）。这些细菌能够利用光照将空气中的二氧化碳变成有机物，但是会释放出一种副产物：氧气。

光合作用过程中，氧气是一种废气

氧气对当时的生命们其实是有毒的，因为那时候的海洋就是一种无氧环境，在无氧环境中长大的生命对于氧气是无法适应的。这些生命可能非常类似于我们如今农村里面大规模使用的沼气池里面的甲烷细菌，是非常讨厌氧气的，在有氧气的环境下甚至无法存活。（我们身边就有很多厌氧细菌：甲烷细菌、破伤风杆菌、肉毒杆菌等）

甲烷细菌 图/网络

破伤风杆菌 图/网络

在这个时候，地球氧气含量是非常低的，地球上的氧气对于大多数的生命来讲，是一种毒气。

你知道吗，氧气曾经是一种有毒气体

二、 第一次大氧化事件

但是生命的演化的目的其实很简单——遗传DNA。为了遗传DNA，就需要繁殖，为了繁殖，繁殖需要消耗大量的能量，因此，只要能够快速获得大量能量，就能够遗传更多的DNA。

光合作用相较于其他的能量获取方式，更有效率，且对于环境要求不高，有水有光有二氧化碳即可，因此那些使用光合作用获取能量的生物迅速繁衍起来，很快就扩散到了全球。我们现在在那些古老的岩层中就能够发现大量的化石证据：叠层石。

叠层石 图/网络

叠层石是一些光合作用细菌活动的遗迹化石，蓝藻之类的细菌，聚集在一起生长，在生长的过程中把水中的矿物质等胶结在了一起，从而形成了这种生物遗迹化石。

35亿年——25亿年之间，这些光合作用生物大量繁衍，向外排放光合作用的“废气”：氧气。在氧气向地球排放的过程中，这些氧气首先氧化了海洋，25亿年前的海洋中，存在有大量的二价铁（Fe2+），因此那时候的海洋颜色可能是绿色的。氧气首先将这些二价铁（Fe2+）氧化成为了三价铁（Fe3+），形成三氧化二铁（Fe2O3），三氧化二铁是赤红色的，且不溶于水，因此很快就沉淀到海底，形成了赤铁矿。

硫酸亚铁溶液，这就是二价铁的颜色

红色部分就是沉淀下来形成的铁矿

我们地球上现在开采的铁矿石，大约80%左右都是在大约25亿年前以这种方式形成的。这些赤铁矿在全世界各地都有分布，而且呈现条带状分布，因此又被称为条带状含铁建造，地质学家们就是通过条带状含铁建造来研究25亿年前的这次大氧化事件的。

条带状含铁建造细节图

在氧气将海洋中游离的铁消耗完毕后就进入到了大气中，从此以后地球的大气成分发生了彻底的改变：氧气含量升高了！那时候氧气的含量可能是现在水平（PAL）的1%—2%。

伴随着大气圈中氧气含量的增加，生物演化也发生了巨大的变化：真核生物出现了。真核生物是怎么出现的，至今还未有定论。但是真核生物出现的意义却非同一般，这些真核生物往往是需氧生物，它们利用氧气氧化体内的有机物，就好像一个放慢了过程的燃烧过程一样，在利用氧气进行呼吸的过程中，真核生物们获得了更多的能量，从而在演化过程中一骑绝尘，超越了原核生物们，成为地球上最重要的生物类型：现今地球上的鸟、兽、虫、鱼，这些可都是真核生物！

三、 第二次大氧化事件

在第一次大氧化事件之后，地球上的生命演化历程再一次进入了沉寂阶段，在往后的10亿年间，生物们的演化过程乏善可陈，这个阶段被科学家们称之为“无聊的10亿年”（boring billion 1000Ma）。

漫长的时光中，地球进入它形成后的第37亿年，此时地球再一次开始活跃起来。这是距现在8.5亿年前，地球逐渐开始进入到一个被叫做“雪球地球”的时期：地球整体被冰封，最寒冷时可能全球都被冰层覆盖。

雪球地球时期想象图

虽然地球被冰雪覆盖，但是神奇的是，地球上氧气含量再一次开始上升，从8.5亿年前—5.4亿年前，在这3亿年间，地球上的氧气含量突飞猛进，增加到了现在氧气含量（PAL）的5%—18%。这3亿年，被科学家们称为“咆哮的3亿年”（Roaring 300Ma）。

咆哮的3亿年中，氧气含量迅速升高

为什么这个时间内氧气含量会变化呢？科学家们目前的猜测是，在这段时间内，原先的罗迪尼亚超级大陆解体，而后又重新汇聚形成一个新的冈瓦纳古陆，在这个过程中形成一个环冈瓦纳超级山脉，这些山脉被快速风化侵蚀，从被侵蚀的岩石中释放出大量的基本营养物，包括铁和磷，从而激发了藻类与蓝细菌的爆发，大量的藻类和蓝细菌进行光合作用，从而让地球上的氧含量大量增加。

罗迪尼亚大陆

冈瓦纳大陆

这次大氧化事件导致了生物的快速演化，演化的结果就是埃迪卡拉纪生物化石的大量出现，这其中包括中国瓮安生物群中的动物胚胎化石、澳大利亚埃迪卡拉生物群、中国陕西高家山生物群中的带外骨骼动物化石和大量的蠕虫形化石。

瓮安生物群中的动物胚胎化石

埃迪卡拉生物群中的化石

埃迪卡拉生物群中的化石

中国陕西高家山生物群化石

四、 总结

在地球演化历史的前40亿年间，氧气从无到有，从“毒气”到推动生命演化的有用气体，其实可以看作是地球与生命协同演化的一个过程：生命活动产生氧气、氧气制造铁矿、氧气推动真核生物出现、地球板块运动产生无机营养物质、无机营养物质导致更多氧气出现、更多氧气的出现又推动生命爆发性演化······

我们人类面临的挑战其实是如何在与地球的协同演化中不被淘汰掉——地球是不会毁灭的，地球上比现在温度高很多的时候有的是，地球上巨型火山爆发的时候也很多，陨石撞击地球也不止一次，但是就算是历经了五次生物大灭绝，地球上的生命依旧在演化！

所以其实我们人类面临的问题是，不要成为那个消失掉的物种！

一、氧气还能毒害生命？25亿年前突然剧增的氧气彻底改变地球

地球在大约45.4亿年前形成，几亿年后，地球上就已经进化出了生命。自那时起，生命在地球上蓬勃发展，不断进化，使得它们能够在地球上几乎所有的环境生态位中找到生存之道。

但在地球形成大约20亿年之后，也就是距今25亿年前，地球上的生命几乎灭绝，其元凶就是如今几乎所有的地球生命都离不开的生存要素——氧气。在那时，大气中的氧气浓度突然大幅度升高，这种气体对于当时的生物体是致命的，这就是大氧化事件。

自大氧化事件发生数亿年来，地球的温度逐渐下降，最终进入了最为严重的冰河时期——休伦冰河时期，整个地球表面都被冰冻，形成“雪球地球”。这场灾难几乎彻底毁灭了当时的地球生命，此后的地球迎来了另一番景象。

最初的地球上并没有氧气，所有的地球生命都是厌氧生物。直到35亿年前，地球上出现了最早的光合作用生物——蓝藻细菌。这种原核生物能够利用太阳能、二氧化碳和水进行光合作用，同时排出废气——氧气，这种气体对于厌氧生物来说是致命的有毒气体。

到了25亿年前，蓝藻细菌在地球的海洋中大规模繁殖，它们的数量呈指数式的增长。蓝藻细菌向大气中排放出了大量的氧气，大气中的氧气浓度急剧升高，从而导致当时的厌氧生物大规模灭绝。

那么，大氧化事件又是如何导致整个地球被冰封呢？

太阳的光度会随着时间的推移而逐渐增加，因为更重的氦原子核会在中心逐渐积累起来，使得太阳的核心不断坍缩，从而加快氢核聚变的速率，导致太阳的温度逐渐升高。在太阳刚刚形成时，早期太阳的辐射功率只有现在的80%。

在大氧化时期，太阳的光度仍然比现在低了一些，所以地球接收到的热量也会更少。但那时地球大气中的甲烷浓度比较高，而甲烷是一种强烈的温室气体，可以给地球起到保温作用，所以那时的地球也不会很冷。

由于大氧化事件导致氧气浓度大幅度升高，大量的氧气会消耗掉甲烷，失去了甲烷的温室效应，地球的温度开始大幅度降低。随着地球表面被冰雪覆盖的区域越来越大，地球接收到的热量也会越来越少，因为地球的总反射率在逐渐升高。最终，地球进入了休伦冰河时期，整个地球被冰封长达3亿年。

尽管这对地球上的生命来说是灾难性的，但地球生命并没有因此而完全消失。蓝藻菌继续在地球上繁衍生息，而其他较小的生物种群面对巨大的自然选择压力和不断变化的环境，朝着不同的方向进化。更复杂的生物，积累了大量的基因和新的能力，它们生存的机会更高，因为它们更能适应变化。

与此同时，火山继续在冰层下喷发。这些二氧化碳的积累会增加大气中的温室效应，而同时产生的火山灰又会降低地球的反射率，地球的温度逐渐升高，最终摆脱这个冰川时代。

在休伦冰河时期结束之后，地球上出现了最早的真核生物。最终，原始的真核生物逐渐演化成了后来的原生生物、植物、真菌和动物。

如果氧气没有破坏早期地球的富含甲烷大气层，没有摧毁当时的优势物种，没有让其他新的生物得以进化，那么，包括人类在内的各种复杂生命很有可能就不会出现在地球上。

二、为什么地球24亿年前突然有了氧气？

过去的10年来，我们对地球历史这一阶段的认识，发生了大逆转。教科书会告诉你，光合作用甫一出现，氧含量就开始攀升。但是，据我们现在所知，有些生物早在34亿年前就能进行光合作用，这比氧含量上升要早得多。问题在于，为什么氧气会在那么久之后，才喷涌而出？

本质上，光合作用就是“收割”太阳能。植物利用太阳能制作食物，把二氧化碳变成碳链。这一过程中产生的糖类可以用作能源，也可以用于制造从蛋白质到DNA不等的各种更复杂的分子。可能与你所预期的不同，产生氧气并非不可避免。事实上，许多细菌都可以不用产生氧气，就把光能和二氧化碳转化为食物。而且，近期的研究表明，细菌这种光合作用的历史，几乎和地球生命史一样悠久。

2004年，当时任职于美国加利福尼亚斯坦福大学的迈克尔·泰斯（Michael Tice）和唐纳德·罗威，在南非研究距今34.1亿年前形成于浅水中的岩石时，发现一种化石结构与现代光合细菌形成的微生物席非常类似，但是没有任何氧气产生的迹象（参见《自然》杂志，第431卷，549页）。对此，他们认为最可能的解释是，这些细胞进行的是不产生氧气的光合作用。

从这一发现起，我们开始真正接触到早期光合细菌。2011年，英国牛津大学的马丁·布雷泽）及其同事在澳大利亚西部的岩石中发现了距今34.3亿年前的细菌细胞化石（参见《自然·地球科学》，第4卷，698页）。“它们生活在光照良好的潮间带或潮上带，”布雷泽说。岩石的化学组成，以及充足的光线，充分表明这些细胞中有些能进行光合作用，却不产生氧气。

不产生氧气的光合作用出现得如此之早，似乎相当令人惊讶。现在已知最早的化石，形成于距今34.9亿年前，仅仅比它们略早一点。在英国伦敦大学学院研究生命起源的学者尼克·雷恩认为，一旦生命演化到能够依靠化学能为生，转而利用太阳能其实算不上什么飞跃。“实际上，光只是让电子流过同一台设备而已，”他说。

对于雷恩这样的研究人员来说，谜题在于，为什么产生氧气的光合作用要经过如此漫长的岁月才演化出来。产生氧气的光合作用出现在大约24亿年前，可能比不产生氧气的光合作用晚了10亿年。明明更具优势，为什么它会如此姗姗来迟？

光合作用分为两个主要步骤。在第2步中，电子进入二氧化碳，帮助把二氧化碳分子转化成糖类。而第1步则是获取这些电子，也就是从一种分子上剥离出电子，用来产生驱动第2步所需的电化学梯度。

三、研究人员发现氧气何时何地开始上升

古代岩石提供了地球早期 历史 的线索

研究人员发现氧气何时何地开始上升

氧气以氧气分子(O2)的形式存在于地球的大气和海洋中。氧气是由植物产生的，对动物至关重要。然而，研究地球上氧气 历史 的研究人员知道，在地球存在的46亿年里，氧气相对稀少。那么氧气是何时何地开始在地球上形成的呢?

通过研究古代岩石，研究人员确定，在25亿至23亿年前的某个时候，地球经历了科学家们所称的“大氧化事件”或简称“GOE”。从那时起，氧气首先在地球大气中积累，并一直存在。然而，通过在这一研究领域的大量研究，已经有证据表明，在GOE之前，地球古老的浅海的小区域中存在少量的氧气。在最近发表在《自然地球科学》(Nature Geoscience)杂志上的一项研究中，亚利桑那州立大学(Arizona State University, ASU)科学家领导的一个研究小组提供了令人信服的证据，证明在GOE发生之前，海洋在更大范围和更深的深度上发生了显著的氧化作用。

在这项研究中，研究小组瞄准了一组来自澳大利亚西部的25亿年前的海洋沉积岩——麦克雷页岩。ASU地球与空间 探索 学院的Chadlin Ostrander是这项研究的主要作者，他说:“这些岩石非常适合我们的研究，因为之前的研究表明，它们是在大氧化事件之前的一个异常的氧合阶段沉积下来的。”页岩是沉积岩，在地球过去的某个时候，沉积在远古海洋的海床上。在某些情况下，这些页岩含有它们所沉积的远古海洋的化学指纹。

在这项研究中，Ostrander在一个干净的实验室中溶解页岩样品和分离的感兴趣的元素，然后在质谱仪上测量同位素组成。这一过程是在伍兹霍尔海洋研究所(马萨诸塞州)的共同作者Sune Nielsen的帮助下完成的;佛罗里达州立大学的杰里米·欧文斯;滑铁卢大学(加拿大安大略省)的布莱恩·肯德尔;ASU地球与太空 探索 学院的科学家格温妮丝·戈登和斯蒂芬·罗曼尼罗;以及亚利桑那州立大学地球与空间 探索 学院和分子科学学院的Ariel Anbar。数据收集花了一年多的时间，利用了伍兹霍尔海洋研究所、佛罗里达州立大学和亚利桑那州立大学的设施。

利用质谱仪，研究小组测量了麦克雷页岩的铊和钼同位素组成。这是首次在同一组页岩样品中同时测定两个同位素系统。正如所假设的那样，一种可预测的铊和钼同位素模式出现了，这表明在古海洋的大部分地区，锰氧化物矿物埋藏在海底。要使这种埋葬发生，氧气必须在25亿年前一直存在到海底。

这些发现提高了科学家对地球海洋氧合 历史 的理解。在GOE之前，O2的积累可能并不局限于表层海洋的一小部分。更有可能的是，氧气的积累扩展到海洋的大部分区域，并延伸到海洋深处。在其中一些地区，氧气的积累似乎一直延伸到海底。

“我们的发现迫使我们重新思考地球最初的含氧量，”Ostrander说。许多证据表明，在大约25亿年前的GOE期间，氧气开始在地球大气中积累。然而，现在很明显，地球最初的氧合是一个根植于海洋的故事。根据我们的数据，氧气可能早在大气中积累之前就已经在地球的海洋中积累到相当高的水平了。

“现在我们已经知道O2是何时何地开始形成的，下一个问题是为什么”ASU校长的教授兼合著者Anbar说。“我们认为产生氧气的细菌早在氧气在大气中形成之前就已经在海洋中繁殖了。是什么导致了这种增长?这就是我们下一步的工作。