呼吸由谁决定？地球早期氧气的产生之谜

出品：科普中国

作者：Denovo团队

监制：中国科普博览

氧元素大家并不陌生，它几乎可以与元素周期表上所有其他元素形成化合物。地球大气中约有21%的氧气，那大气中的氧气是从哪里来的呢？

或许这个问题连小学生都知道——光合作用呗，也就是由绿色植物、藻类和某些细菌将阳光、水和二氧化碳转化为葡萄糖和氧气过程。

那你想过没有，将时间倒退回几十亿年前的地球，那时地球上的氧气又是从哪里来的呢？最早期的氧气也是由光合作用产生的吗？

大气中的氧气

（图片来源：Veer图库）

大氧化事件：地球的呼吸之源

在大约在45.7亿年前，太阳在银河系中一个不起眼的角落里形成，太阳形成后剩下的物质凝聚成了我们太阳系的其余部分，当然包括在大约45.5亿年前诞生的地球。

自地球形成后到现在的45.5亿年，大约有一半的时间里，这颗星球上几乎没有氧气或氧气非常稀薄。直到大约24亿年前，大气中氧气的浓度显著增加，大氧化事件（Great Oxidation Event，GOE）发生了。在这一时期，大气氧气浓度增加化对地球上的生命和环境产生了深远影响。

就在大氧化事件的前2-3亿年，地球大气中的氧气极为稀薄。一部分研究认为，蓝细菌等早期微生物通过光合作用将太阳能转化为化学能，同时将氧气作为副产品释放到水体中。随着时间的推移，这些氧气逐渐积累，并最终进入大气层。

25亿年前至20亿年前地球化学数据及地质记录汇总

棕色区域代表的是传统意义上的“大氧化事件”（图片来源：参考文献[1]）

氧气进入大气后，对当时的生物和地质环境产生了深远的影响。对许多原始无氧呼吸的生物来说，氧气是有毒的，导致了大量生物的灭绝。与此同时，氧气与大气和海洋中的化合物反应，形成了新的地质结构，例如赤铁矿层。

尽管氧气导致了许多生物的灭绝，但它也为新的、更复杂的生命形式铺平了道路。有了氧气，一些生物演化出了利用氧气生活的新方式，从而形成了更复杂的生态系统。

大氧化事件不仅改变了地球的生物和地质环境，还为科学家们提供了探索地球早期历史和生命起源的重要线索。

地球物种的多样性（图片来源：Veer图库）

氧气增加的原因之一：原来是镍！

当然，还有很多其他科学研究也为大氧化事件提供了线索。早在2009年，一篇发表在《自然》杂志上的论文推测了大气中氧气浓度增加的一个原因。

研究人员分析了数十个地点内沉积岩中的微量元素，发现原始海洋中的镍含量是目前水体的 400 倍。早期地球的海洋中有很多可以产生甲烷气体的微生物，这些产甲烷的微生物喜欢富含镍的水生长和繁殖，并会向大气中释放大量的甲烷气体，推测甲烷气体阻止了氧气积聚。

甲烷分子结构图（图片来源：中国科学院）

科学家对岩石进行测试后发现，大约24 亿年前，可能是因为地幔的冷却和凝固，导致海洋溶解的镍逐渐析出。由于海洋中镍的减少，依赖镍生活的产甲烷菌也无法生存，并为藻类和其他在光合作用过程中释放氧气的生命形式留下空间。这对大氧化事件提供了另一个可信的解释。

火山活动：地球氧气的又一猜想

一篇在2021年发表于《美国科学院院报》的文章，主要探讨了地球大气中氧气出现的早期阶段，特别是在大氧化事件前发生的 “小型”氧气增加现象，研究人员推测这一早期的氧气增加可能是由火山活动触发的。

火山活动（图片来源：Veer图库）

研究人员通过分析来自西澳大利亚的地层钻芯，找到了与火山活动相关的汞的富集和氧化风化的迹象。这些证据支持了火山活动在这一早期氧气增加中起到了关键作用的假设。

火山活动会产生富含营养的熔岩和火山灰，这些物质经风化后释放到河流和其他水源。例如，大量玄武岩地壳的风化会释放出含磷基础营养物质，促进了蓝细菌和其他单细胞生物的繁殖，从而产生了更多的氧气。研究人员推测，火山活动还能通过与火山气体的反应为大气中的氧提供一个长期的消耗途径。

蓝细菌（蓝藻）（图片来源：Veer图库）

氧气增加是由于氧气产量的增加，而不是由于氧气被岩石或其他非生物过程消耗的减少。这一点对于理解复杂生命演化有重要意义。

二氧化硫光解：非生物产氧的新途径

那么在蓝藻产生并开始释放氧气之前，地球上难道一丁点氧气都没有吗？如果有一丁点的话，氧气是哪里来的呢？

近日，中国科学院的科学家们在《化学科学》杂志上发表了一篇论文，发现二氧化硫分子光解可产生硫原子和氧气，为地球早期大气中氧气的来源提供了新途径。

科学家们利用世界上最亮且波长完全可调的极紫外自由电子激光光源——大连光源，将其波长范围调整在120至160 纳米之间，直接将二氧化硫解离生成了硫原子和氧气。

大连光源装置（图片来源：中国科学院）

由于光子本身带有能量，波长越短，光子的能量就越高。在实验中他们还发现，当波长为121.6纳米时，产率可达到约30%。该过程是继二氧化碳和水分子光化学产氧之后新发现的非生物产氧途径。

二氧化硫光解示意图（图片来源：中国科学院）

现在问题又出现了，为什么科学家们要选择121.6纳米呢？

这是因为121.6纳米的Lyman-α线的波长，是氢原子光谱中的一个特定波长。氢是宇宙中最丰富的元素，Lyman-α辐射在许多天文现象和恒星活动中都非常常见。在恒星，尤其是年轻、活跃和高温的恒星中，真空紫外线辐射是一个重要的能量输出渠道。

在这些恒星的真空紫外线辐射中，Lyman-α线通常是最强最为丰富的一条光谱线，这一特性使Lyman-α成为了研究恒星活动、星际介质、以及行星大气等多个领域的有用工具。

地球太古晚期的火山喷发释放出二氧化硫气体，随后大量的二氧化硫气体进入大气层，研究人员推测在光照下二氧化硫光解产生出了氧气。这意味着二氧化硫的真空紫外线光解作用可能为地球原始大气中的氧气来源提供了一个新的重要途经。

结语

地球及其物质的起源与演化是一个复杂而奇妙的过程，尽管氧气在日常生活的每分每秒都伴随着我们，但它的来源与产生仍是一个有待继续揭开的谜题。物质世界纷繁复杂，也正是这些不断探索的过程，才让人类领略到了自然界的真正魅力。

参考文献：

[1]Poulton, S. , Bekker, A. , Cumming, V. , Zerkle, A. , Canfield, D. , & Johnston, D. . (2021).A 200-million-year delay in permanent atmospheric oxygenation. Nature, 592(7853), 232-236.

[2]Farquhar, James, Huiming Bao, and Mark Thiemens. "Atmospheric influence of Earth's earliest sulfur cycle." Science 289.5480 (2000): 756-758.

[3]Konhauser, Kurt O., et al. "Oceanic nickel depletion and a methanogen famine before the Great Oxidation Event." Nature 458.7239 (2009): 750-753.

[4]Meixnerová, Jana, et al. "Mercury abundance and isotopic composition indicate subaerial volcanism prior to the end-Archean “whiff” of oxygen." Proceedings of the National Academy of Sciences 118.33 (2021): e2107511118.

[5]Lu, Zhou, et al. "Evidence for direct molecular oxygen production in CO2 photodissociation." Science 346.6205 (2014): 61-64.

[6]Chang, Yao, et al. "Vacuum ultraviolet photodissociation of sulfur dioxide and its implications for oxygen production in the early Earth's atmosphere." Chemical Science (2023).