让人活命的氧气，竟然曾导致99.5%的生命消失……

制作:中国科普

作品:冯为民(中国科学院南京地质古生物研究所)

生产者: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，氧气滋润着地球表面大多数生物的生长。然而，直到20世纪60年代，科学家们才发现地球上的氧气并没有诞生，而是姗姗来迟，直到23亿年后才出现。换句话说，地球用了几乎一半的时间来改变原来的无氧环境或还原环境，即不含或含有很少的游离氧和其他强氧化剂，但富含大量有机残留物和还原物质如甲烷和氢气的环境，从而开始在有氧环境中进化。好氧环境的形成主要是由于微小的蓝藻长期不懈地释放氧气。

氧气不是和你一起出生的吗？科学家说氧气是由

美国科学家普雷斯顿·克罗德)1968年“原始地球大气和水圈的演化”是25亿年前大气含氧量非常低的第一个证据。在他视察美国安大略省南部休伦湖北部的休伦湖超级群岩石时，他观察到大约25至24亿年前的河流沉积物含有碎屑铀矿和黄铁矿，它们都是还原环境的产物。在年轻的岩石中，铀和黄铁矿消失了，但出现了强烈的红色砂岩。这些岩石被称为红层，表明了氧化铁的存在。

科学家詹姆斯·法夸尔通过研究岩石中的硫同位素，并根据它们不同的分馏性质，发现在地球历史的不同时期，岩石中所含的硫同位素分馏信息存在显著差异，这种差异的时间点可以在大约23.5至23亿年前准确地确定。因此，地球上第一次重大氧化事件的发生得到了很好的证明，当时大气中的氧是从零开始的，大气中的氧含量约为今天大气中氧含量的1%。

地球历史不同时期岩石硫同位素分馏信息的不同表现。(照片来源:Farquhar等人，2003年)

图中的横坐标是地球的年龄。从40亿年到000万年，地球从开始到现在。图中的黑点代表一个接一个的样本数据。如果其相应的纵坐标值为0，则意味着正常的质量相关分馏。从图中可以看出，在阶段1中，发生了大量质量无关的分馏。詹姆斯·法夸尔(James Farquhar)后来证明，这种异常现象主要是由于地球早期的岩石受到太阳光紫外线的照射，然后由于地球大气层产生的臭氧层(平流层中的一种氧气)吸收紫外线而消失，所以这种异常分馏的消失可以代表氧气的大规模出现。

最近，一个国际科学家小组对加拿大哈德逊湾的重晶石进行了研究。这些岩石已经存在了数十亿年，储存了特定时间大气中氧含量的信息。在这些岩石的帮助下，研究小组证明了大约24亿年前大气中氧气的浓度急剧增加。他们的结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

伟大的氧气事件:生命的灾难和新生命

毫无疑问，巨大的氧化事件对自然和生物都产生了深远的影响。它不仅给我们带来了我们今天所需要的铁矿石资源，而且还孕育了现实生活，即需要呼吸和在有氧环境中生存的生活。从那时起，它开始了人类进化的旅程。然而，大规模氧化事件也导致了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99.5%的生命已经消失。那时，地球的海洋主要是单细胞藻类。自养蓝藻在吸收二氧化碳和滋养自身的同时不断释放氧气，导致有氧环境的出现，即大规模氧化事件。然而，有氧环境对原始厌氧原核生物造成了致命的破坏，导致绝大多数生命的灭绝。与6600万年前恐龙从地球上消失的时间相比，这次大规模灭绝显然更加悲惨。

大型氧化事件引起的好氧环境的演变并不是一帆风顺的。氧气指挥棒下的生物进化也是一个灭绝和重生的过程。2014年，耶鲁大学的学者在《科学》杂志上发表了一项研究，在高氧气浓度的条件下，地球上岩石中的一些铬同位素容易被氧化并溶解在水中，然后流入海洋，导致岩石中铬同位素含量下降。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。这证实了在第一次重大氧化事件后，地球环境再次进入长期缺氧环境。

那么，你为什么要进入漫长的缺氧环境呢？目前，科学界已经提出了一个理论模型“有机碳库模型”。该模型表明，在前寒武纪洋面透光带进行光合作用的微生物主要是原核生物。这些微生物死亡后的有机物很容易氧化和降解，并在海水中不断积累，就像一个巨大的沼泽池。水体中大量的腐殖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10亿年。仅仅在600-52000万年前，发生了根本性的变化和第二次重大的氧化事件。

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研究员朱和英国伦敦大学科学家组成的研究团队在早期生物进化和大规模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，第二次大规模氧化事件形成的主要原因是大规模造山运动通过风化和侵蚀将大量蒸发岩矿物带入海洋。由于富含硫酸盐的蒸发岩是一种氧化剂，海水中的有机物可以被硫酸盐还原菌氧化形成黄铁矿，黄铁矿被埋藏在沉积物中，导致当时海洋中有机碳库的迅速减少。与此同时，随着海洋中有机碳的快速氧化，大量的CO2排放到大气中，进一步导致大气升温，从而加强了陆地的风化和蒸发岩对海洋的输入，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，迅速增加了大气和海洋中的氧气，为地球上大型复杂多细胞生物的快速进化奠定了基础。

海洋有机碳库蒸发岩风化氧化正反馈模型图(照片来源:南京古生物研究所网站)

与此同时，海绵开始捕食海水中的悬浮有机物，加速海水中有机物的消耗和埋藏，减少海水中氧气的消耗。随着氧含量的增加，微型浮游动物和具有复杂身体结构的动物形成复杂的食物网，消耗大量海水中的有机物，并以动物大颗粒排泄物和尸体的形式进入沉积物，大大提高了有机物埋藏的效率，最终导致海洋和大气中氧含量的增加。

第二次大氧化事件极大地促进了生物学的发展。过去40年在中国发现的晚前寒武纪生物群表明，6亿年前出现的蓝田生物群表明，当时的生物已经变得庞大。高家山生物群证明了生物骨骼化的过程已经开始。澄江生物群，特别是清江生物群的发现，为寒武纪生命大爆发打开了一扇窗，真正打开了现代生物圈进化的帷幕。

寒武纪生命大爆发的答案已经揭晓了？氧含量是关键

寒武纪(5.42亿-4.85亿年前)是第一个显生宙时代。寒武纪早期生命的爆发几乎出现了所有的动物物种，为现代生物多样性的发展奠定了基础。然而，科学界长期以来一直在探索寒武纪大爆发的形成机制，并提出了一系列假说。今年5月7日，中英和俄罗斯国际合作小组在英国自然地球科学网上公布了他们的研究成果，为这一科学难题提供了新的答案。他们通过研究西伯利亚早寒武世连续碳酸盐地层剖面中的碳和硫同位素，揭示了大气和海洋中的氧含量对寒武纪大爆发过程的控制。

对他们提出的生物地球化学循环模型的计算表明，早寒武世在5.24亿年前至5.14亿年前有5次同步变化。当海水中的碳和硫同位素同时被偏置(正异常)时，表明有机碳和黄铁矿的埋藏量增加，导致氧气产量快速增加。当海水中碳、硫同位素相对较轻(负异常)时，表明有机碳和黄铁矿的埋藏量减少，导致产氧减少。碳硫同位素的变化范围反映了大气和浅海中氧含量的变化范围。然而，5.14亿年前碳和硫同位素的异步变化反映了海水中普遍缺氧。因此，大约5.2亿年(寒武纪大爆发)动物的阶段性快速辐射演化很可能受大气和海洋中氧含量的控制。特别是在寒武纪大爆发的高峰期，海水中碳、硫同位素值同步波动的数量和幅度与动物化石多样性随时间变化的数量和幅度高度一致。等人，2019年)。

早寒武世西伯利亚碳、硫同位素和氧生产变化与动物多样性的关系。纵轴为寒武纪大爆发的时间轴，水平三列为碳硫同位素变化曲线、氧输出和动物种/古杯种。(照片来源:南京古生物研究所网站。)

自从寒武纪生命大爆发以来，地球大气中的氧含量从10%变成了35%，现在是21%。正是氧气不断充满大气层，改善大气氧化环境，促使动物着陆并进化出包括人类在内的无数生命，呈现出生物进化的壮观和跌宕起伏。

参考文献:1。云，1968年。原始地球上的大气和疏水演化。科学，160: 729-736.2。《多重硫同位素和大气的演变》，[大学出版社，1997年。《地球与行星科学通讯》，2003，213(2):13.3，何，朱，梅，米尔斯，彭建伟，永利，彭，朱，俞。，Tostevin，r .，Pogge von Strandmann，P. A. E .，Yang，a .，Poulton，S. W .，Shields，G. A.*，2019 .极端氧气扰动和动物寒武纪辐射之间的可能联系。自然地球科学，10.1038/s 1156019-0357-z .4.希尔兹，通用电气公司，米尔斯，朱，m .，劳布，T. D .，戴恩斯，s .，伦顿，T. M .，2019。由耦合蒸发岩溶解和黄铁矿埋藏维持的独特新元古代碳同位素偏移。《自然地球科学》，https://doi . org/10.1038/s 1156019-0434-3。