撰文/巖雪松

氧從哪里來(lái)？

撰文/巖雪松

早期的海洋中，存在大量的氧，但大氣中卻不存在氧氣。如果這種情況一直持續(xù)下去，地球早期的生命除了綠藻以外就所剩無(wú)幾了，那會(huì)是一個(gè)非?；臎龅氖澜纭Ｑ鯕夂螘r(shí)在大氣中出現(xiàn)？它的濃度何時(shí)達(dá)到了與我們現(xiàn)在相同的水平？

氧無(wú)疑是地球上最重要的元素，沒(méi)有氧，這個(gè)千姿百態(tài)的星球可能完全是另一種景象。那么氧到底是何時(shí)與地球“相愛(ài)”的呢？

早期的海洋中，存在大量的氧，但大氣中卻不存在氧氣。如果這種情況一直持續(xù)下去，地球早期的生命除了綠藻以外就所剩無(wú)幾了，那會(huì)是一個(gè)非?；臎龅氖澜?。一直以來(lái)，研究人員相信，氧氣在30億年前就已經(jīng)存在于地球大氣層中了。這種推斷在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)人反駁，因?yàn)?0億年對(duì)人類(lèi)而言實(shí)在是太久遠(yuǎn)了……利用化石追蹤一些能夠產(chǎn)生氧氣的有機(jī)體的做法雖然很有效，但卻有著局限性——因?yàn)槔没荒茏匪莸?0億年前的時(shí)代，更早之前的地球發(fā)生的事情，就無(wú)法通過(guò)化石來(lái)進(jìn)行研究了。

2000年，美國(guó)學(xué)院公園市馬里蘭大學(xué)的地質(zhì)化學(xué)家發(fā)明了一種與硫同位素有關(guān)的技術(shù)。他發(fā)現(xiàn)，在24億年前，一直存在3種硫同位素之間的同位素變化的情況。這種情況并不像人們認(rèn)為的那樣，依賴(lài)于同位素的質(zhì)量。經(jīng)他的研究，有理由相信，在24億年前，我們賴(lài)以為生的大氣中終于出現(xiàn)了氧氣。

大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，海洋—大氣系統(tǒng)中氧氣含量的變化一直呈階梯狀，而且階梯的臺(tái)階一直在上升。階梯的第一級(jí)，大約發(fā)生在26億年前，也就是所謂的“大氧化”事件時(shí)期，這個(gè)階段對(duì)真核生命的起源和進(jìn)化具有重要的意義；階梯的第

然而，光是有氧氣，并不能讓我們的地球就此生機(jī)勃勃。就像人們到了青藏高原，會(huì)產(chǎn)生高原反應(yīng)一樣，過(guò)于稀薄的大氣不足以讓生物生存。而大氣中的含氧量很明顯是經(jīng)過(guò)了上億年的變化，才達(dá)到我們現(xiàn)在所知道的濃度的。那么，海洋和大氣中的含氧量，一直以來(lái)是如何變化的呢？二級(jí)大約發(fā)生在前一級(jí)之后的兩個(gè)億年，這時(shí)候地球上首次出現(xiàn)了最早的動(dòng)物多樣化特征。

不過(guò)最近一個(gè)來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)的研究小組認(rèn)為早期的原始海洋—大氣系統(tǒng)中的氧氣含量變化并不是單一的上升趨勢(shì)，他們羅列出令人信服的證據(jù)，表明原始大氣中的氧含量在經(jīng)歷了上升過(guò)程之后，有一個(gè)明顯的下降過(guò)程。

地球生化學(xué)教授蒂莫西·萊昂斯認(rèn)為，海洋—大氣中的氧含量在23億到22億年前累積到最大，氧氣的濃度甚至接近我們今天的大氣。但是，一些新的數(shù)據(jù)表明，海洋—大氣系統(tǒng)中的氧氣濃度并不是一直在上升，大約在2億年前，海洋—大氣系統(tǒng)中氧氣的濃度有一個(gè)明顯的下降過(guò)程。

萊昂斯解釋說(shuō)，這種海洋—大氣系統(tǒng)氧氣含量的下降，可能已經(jīng)持續(xù)了超過(guò)10億年，造成地球表面氧氣濃度的回降，包括深海形成的低氧區(qū)。這種情況的出現(xiàn)也許是地球上出現(xiàn)動(dòng)物的一個(gè)關(guān)鍵因素。

碳，還是硫？

他們是通過(guò)什么方法得出這個(gè)結(jié)論的呢？首席研究員來(lái)恩·普蘭凱解釋說(shuō)：“距今23億到21億年前是碳同位素最長(zhǎng)久和最活躍的時(shí)候?！痹诠夂献饔眠^(guò)程中碳同位素被固定在有機(jī)物中。當(dāng)有機(jī)物質(zhì)被掩埋以后，氧氣被釋放到大氣中并增加了大氣中氧氣的濃度。掩埋的有機(jī)物可以通過(guò)同位素來(lái)進(jìn)行跟蹤。

“有些研究人員認(rèn)為，碳同位素可能會(huì)轉(zhuǎn)移到其他物質(zhì)中去，而不會(huì)一直保留在有機(jī)物中，并且和氧氣釋放相關(guān)聯(lián)，”普蘭凱說(shuō)，“我們?cè)趯?duì)來(lái)自美國(guó)、加拿大、南非和津巴布韋巖石中的硫同位素的研究表明，有機(jī)掩埋能夠很好地解釋古代海洋—大氣系統(tǒng)中氧的變化?！?/p>

研究人員對(duì)硫的研究表明，古代海洋—大氣中氧含量開(kāi)始下降的時(shí)候，海洋中硫酸鹽的濃度很高，和今天海洋中硫酸鹽的濃度差不多，這也意味著海洋—大氣系統(tǒng)中的氧含量較高。硫離子是海洋比較豐富的帶負(fù)電荷的離子，今天海洋中硫離子的含量仍然很高，因?yàn)榱蜩F礦很容易被氧化，并且被掩埋在豐富含氧氣的海洋中。

萊昂斯說(shuō)：“硫酸鹽含量的減少導(dǎo)致了氧氣含量的上升。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？這種變化如何影響了10億年的海洋化學(xué)及海洋生命？這些話題都是海洋研究的熱點(diǎn)。有的人認(rèn)為，地球表面上氧含量的上升和下降是至關(guān)重要的，可以幫助人們理解環(huán)境和生物進(jìn)化之間的聯(lián)系。”

大氧化事件，是指約26億年前，大氣中的游離氧含量突然增加的事件，這一事件的具體原因尚不得知。大氧化事件使得地球上礦物的成分發(fā)生了變化，也使得日后動(dòng)物的出現(xiàn)成為了可能。