地球氧氣進化史，生產過程耗費40億年時間，10億年后有變數

地球氧氣進化史，生產過程耗費40億年時間，10億年后有變數

人類能活到現在，氧氣是最大的功臣。沒有氧氣，或許不會有人類的出現，而無氧生物或將代替成為新的主流。今天，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過一段時間才發展到目前的可呼吸狀態。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別。

這是一個充滿暴力的時代，不僅地球的內臟在劇烈地攪動著揮發性物質，來自太陽系內部的冷巖石的持續轟擊也為地球提供了源源不斷的新鮮物質。更大的碰撞偶爾會重新加熱表面，蒸發掉所有收集的水分，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也以氨的形式提供了大量的氮。

氧氣是什么時候出現在地球大氣中的?

氧氣到底是什么出現的？關于這個問題還有很多細節我們還不知道。例如，早期的礦質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，而真正使得氧氣發生大量聚集的轉折點是大氧化事件。

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億年里，人們偶然發現了一種從某些化學物質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II的生物機械為原始微生物提供了動力，使它們能夠將二氧化碳和水重新組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象是流星劃過天空的細雨，流下揮發性氣體，這些氣體很容易與微量的分子氧發生反應。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，氧是一種非常活潑的元素。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。

實際上科學家發現中間氧氣的消失完全有可能發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，當碳被封存在無數受苦的微生物的微小體內時，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物質。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。現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，似乎我們的星球的大氣中永遠都有相當數量的氧氣。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。