呼吸由谁决定？地球早期氧气的产生之谜

摘要：在我们的日常生活中，氧气无处不在，它是我们生命得以延续的关键要素。我们每时每刻都在呼吸着氧气，却很少停下脚步去思考，这看似平常的氧气究竟从何而来？现代地球大气中约 21% 的氧气，在地球数十亿年的漫长历史中，有着怎样独特而神秘的起源故事呢？

在我们的日常生活中，氧气无处不在，它是我们生命得以延续的关键要素。我们每时每刻都在呼吸着氧气，却很少停下脚步去思考，这看似平常的氧气究竟从何而来？现代地球大气中约 21% 的氧气，在地球数十亿年的漫长历史中，有着怎样独特而神秘的起源故事呢？

当我们仰望星空，回溯到几十亿年前那个混沌初开的地球，那时的世界与我们如今所熟知的截然不同。大约在 45.7 亿年前，太阳在银河系的一个角落悄然形成，随后，剩余的物质逐渐凝聚，地球在大约 45.5 亿年前诞生。在地球形成后的漫长岁月里，约有一半的时间，这颗星球上的氧气极其稀少，甚至几乎不存在。

大氧化事件：地球生命与环境的转折点

直到大约 24 亿年前，一场影响深远的变革 —— 大氧化事件（Great Oxidation Event，GOE）发生了。在这一时期，大气中氧气的浓度显著上升，如同平静湖面投入巨石，在地球上掀起了层层波澜，对生命和环境产生了翻天覆地的影响。

在大氧化事件的前 2 - 3 亿年，地球大气中的氧气还极为稀薄。一部分研究认为，蓝细菌等早期微生物在这个过程中扮演了重要角色。它们就像一群勤劳的 “小工匠”，通过光合作用，将太阳能转化为化学能，同时把氧气作为副产品释放到水体中。随着时间的缓缓流逝，这些氧气逐渐积累，如同涓涓细流汇聚成江河，最终涌入大气层。

氧气进入大气后，如同开启了一把双刃剑。对于许多只能进行无氧呼吸的原始生物来说，氧气就像致命的毒药。在氧气的侵袭下，大量生物无法适应，走向了灭绝的命运。然而，这也为新生命形式的演化创造了契机。一些生物在生存的压力下，逐渐进化出利用氧气生活的新方式，就像勇敢的开拓者，在新的环境中开辟出一片天地，从而构建起更为复杂的生态系统。

与此同时，氧气还与大气和海洋中的化合物展开了奇妙的化学反应，塑造出了新的地质结构，赤铁矿层就是其中的典型代表。这些新形成的地质结构，如同地球历史的 “日记本”，记录着许多重要的地质事件，为科学家们探索地球早期历史和生命起源提供了珍贵的线索。

氧气增加的原因之一：镍元素的奇妙影响

氧气浓度为何会在大氧化事件中显著增加呢？许多科学研究都在努力探寻这个问题的答案。早在 2009 年，一篇发表在《自然》杂志上的论文提出了一个令人瞩目的推测。

研究人员深入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竟然是目前水体的 400 倍。在早期地球的海洋里，生活着许多可以产生甲烷气体的微生物，它们对富含镍的水情有独钟，在这样的环境中肆意生长和繁殖，并源源不断地向大气中释放大量的甲烷气体。而这些甲烷气体，就像一道无形的屏障，阻碍了氧气的积聚。

科学家们对岩石进行细致测试后发现，大约在 24 亿年前，可能是由于地幔的冷却和凝固，这一地质变化如同多米诺骨牌的第一块，引发了一系列连锁反应。海洋中溶解的镍逐渐析出，依赖镍生存的产甲烷菌失去了赖以生存的环境，如同鱼儿离开了水，无法继续生存。而这一变化，却为藻类和其他在光合作用过程中释放氧气的生命形式腾出了生存空间。这一研究成果，为大氧化事件的起源提供了一个极具可信度的解释。

火山活动：氧气增加的另一种可能

2021 年，一篇发表于《美国科学院院报》的文章，为我们带来了关于地球大气中氧气起源的新视角。这篇文章聚焦于地球大气中氧气出现的早期阶段，特别是大氧化事件前发生的 “小型” 氧气增加现象。研究人员大胆推测，这一早期的氧气增加可能是由火山活动触发的。

研究人员对来自西澳大利亚的地层钻芯进行了深入分析，如同侦探寻找线索一般，他们在其中找到了与火山活动相关的汞的富集和氧化风化的迹象。这些证据如同拼图中的关键碎片，有力地支持了火山活动在这一早期氧气增加中起到关键作用的假设。

火山活动就像地球内部的一场盛大 “狂欢”，它会喷涌出富含营养的熔岩和火山灰。这些物质在风化的作用下，如同慷慨的馈赠，被释放到河流和其他水源中。例如，大量玄武岩地壳的风化会释放出大量含磷的基础营养物质，这些营养物质就像肥沃的土壤，为蓝细菌和其他单细胞生物的繁殖提供了绝佳的条件，从而促使它们产生了更多的氧气。

另一方面，研究人员还推测，大气中的氧能够与火山气体发生反应，这一过程成为了氧的长期消耗途径。但总体而言，氧气增加的关键在于氧气产量的增加，而非氧气被岩石或其他非生物耗氧过程消耗的减少。这一发现对于我们理解复杂生命的演化具有重要意义。

二氧化硫光解：非生物产氧的新发现

在蓝藻诞生并开始释放氧气之前，地球上真的就没有一丝氧气吗？如果有，它又来自何处呢？近日，中国科学院的科学家们在《化学科学》杂志上发表的一篇论文，为这个问题带来了全新的答案。

科学家们利用世界上最亮且波长在 50 - 180 纳米范围内连续可调的极紫外自由电子激光光源 —— 大连光源，展开了一场科学探索之旅。他们将光源的波长范围调整在 120 至 160 纳米之间，奇迹发生了，二氧化硫在这一特定波长的光照下，直接解离生成了硫原子和氧气。

要评估这一产氧通道的重要性，氧气的产率是一个关键数值。于是，科学家们在波长为 121.6 纳米时，对氧气的产率进行了测量，结果令人惊喜，高达约 30%。这一过程，成为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。

那么，为什么科学家们要选择 121.6 纳米这个特定的波长呢？这背后有着深厚的科学依据。121.6 纳米是著名的 Lyman-α 线的波长，它在氢原子光谱中占据着特殊的位置。氢作为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极为常见。在恒星，尤其是年轻、活跃和高温的恒星中，真空紫外线辐射是重要的能量输出渠道，而 Lyman-α 线在这些恒星的真空紫外线辐射中，通常是最强最为丰富的一条光谱线。这一独特的特性，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力工具。