【科普】氧氣竟然「殺害」了這麼多生命，比恐龍滅絕還慘烈！

氧氣對於地球上

絕大多數生物來說是必需的

但地球上的氧氣並不是與生俱來的

那麼在沒有氧氣的時候

地球上有生命存在嗎

來自科普中國的資料顯示，地球經歷了漫長的23億年後氧氣才出現，我們都知道氧氣是植物通過光合作用釋放出來的，但地球上的大部分氧氣來源其實並不是樹木，而是海洋中的浮遊生物。

這些浮遊生物雖然很微小，但卻是海洋生命支撐系統關鍵部分。更為重要的是，通過光合作用，它們每年產生了地球上一半的氧氣。

今天我們來研究一下：

氧氣從何而來？

第一次大氧化事件造成了什麼影響？

離開了氧氣生命還能存活嗎？

氧氣

地球有著約46億年的歷史，但是在其誕生後的約一半的時間內，大氣裡的氧氣含量都是極少的。那時候氧氣的主要來源，是原始大氣被陽光照射時從二氧化碳和水分子中分離出來的氧。

並不是氧氣出現後才誕生了生命，氧氣其實是生命的產物。

這是因為氧氣的化學性質較為活潑，游離狀態的氧很容易就被巖石中的鐵以及火山爆發噴出的氫吸收掉。因此，在生命產生的早期，地球上的生物基本上全是厭氧生物，氧氣對它們來說更像是一種是「毒氣」。

而現在我們之所以會生活中有氧環境中，主要歸功於藍藻在幾十億年前掀起的那場「氧氣革命」。

藍藻，圖源中科院物理所

嚴格來說藍藻並不是植物，它是類似於細菌的一種生物，被稱為藍細菌更為合適，藍藻只是一種習慣的稱呼。

我們通常對光合作用的定義是植物利用太陽能，將二氧化碳和水轉化為儲存能量的有機物，並釋放氧氣的過程。但其實，光合作用分為產氧光合作用和不產氧的光合作用。

根據迄今發現的最早的化石，地球生命大約出現在34.9億年前。之後不久，不產氧光合作用出現，而產氧光合作用直到大約24億年前才出現。

主流觀點認為，在24億年前，藍藻開始進行產氧光合作用，它們利用水、二氧化碳和陽光製造食物，並在這一過程中產生大量的「有毒」的副產品——氧氣。

圖源網絡

在產氧光合作用出現後的一段時間裡，新生成的氧氣被巖石中的鐵和大氣中的氫等元素吸收。但是由於地球上的火山活動暫時性地減少等種種機緣巧合，氧元素漸漸能夠以游離的氧氣形式存在於大氣中。

與此同時，越來越多巖石表面的鐵和磷被氧化後，隨著雨水衝刷進入了海洋，海水的富營養化進一步促進了藍藻的繁殖和生長。

這一正反饋使得地球氧氣含量急劇增加，大氣成分因此而改變，史稱第一次大氧化事件。從大約23億年前到18.5億年前，大氣中的氧氣濃度從0.02%上升到了4%（現在是21%）。

圖源蝌蚪五線譜

大氧化事件導致了距今20億年前生命史上第一次大規模滅絕事件，史丹福大學研究人員發現，當時地球上高達99.5%的生命消失了。

當時地球海洋是單細胞藻類一統天下，自養的藍藻在吸收二氧化碳、營養自身的同時不斷地釋放氧氣，結果造成了有氧環境的出現，即大氧化事件。

有氧環境對原本厭氧的原核生命產生了致命的傷害，導致絕大多數生命的滅絕。與6600萬年前恐龍從地球上消失那次相比，這次大規模滅絕顯然更為慘烈。

但大氧化事件也對自然界和生物界產生了深刻的影響，不僅為我們帶來了今天所需的鐵礦資源，更是誕生了真核生命，即需要有氧環境下呼吸和生存的生命，從此開啟了通向人類出現的演化徵程。

圖源網絡

科學家對藍藻的研究

24億年前，藍藻就開始進行產氧光合作用，科學家又是如何獲知藍藻的光合作用對海洋和大氣的影響呢？目前最普遍的是利用巖石記錄的碳同位素來進行研究。

碳同位素家族有兩位重要的家庭成員C12和C13，藍藻和藻類等生物體產生的有機碳更富集C12，根據碳同位素的分餾行為，這意味著周圍海水中無機碳具有更少的C12，換言之，它變得富含C13。

從海洋中去除的有機碳越多，海洋中殘留的無機碳C13中就會富集，用同位素來表示即海水δ13C越偏正。

圖源網絡

美國科學家Dick Holland與同事Juha Karhu首次得出海相碳酸巖的碳同位素δ13C曲線產生了大約10‰正漂移，並將它稱為Lomagundi同位素事件（地球歷史上最大的碳同位素偏移），並將有機碳的埋藏視作產生大氧化的氧氣來源。

但是，進一步分析發現，碳同位素的正偏和大氧化事件並不是完全對應，Lomagundi同位素偏移發生在大氧化事件之後而不是在大氧化事件期間。因此，科學家不得不尋找其他可能產生大氧化的原因，於是將目光投向大氧化事件之前更古老的地球時期。

太古代時通過有機碳和黃鐵礦的埋藏，可能已經產生氧氣了，但氧氣的含量非常低，主要是由於產生的氧氣會與火山中產生的來自地幔的還原性氣體（主要是H2）發生反應而消耗。還原性氣體的噴出速度很可能就是限制大氧化產生的原因。

27億年前地幔對流的變化圖，圖源中國科普網

科學家發現，氫氣的噴出速度主要取決於地幔物質的性質，但地幔物質性質在地質歷史時期幾乎沒有大的改變。除此之外，氫氣的噴出速度還應取決於地幔的粘性物質運動。

地球從形成之初的大火球逐漸降溫，使地球內部冷卻，所以地幔粘度變大，運動緩慢，導致氫氣釋放速率隨時間而減少，從而促使大氣含氧量的增加。

2020年加州大學Riverside分校Eguchi等提出了新見解：他們用碳循環將海相碳酸巖碳同位素、大氣氧含量演變和板塊構造演化結合起來，認為大氧化事件與Lomagundi事件是由深部碳循環和增強的去氣作用共同導致的。

圖源中國科普網

他們推測，距今25億年，地球逐步轉化為板塊構造使陸地面積增加，冰期作用導致含水沉積物增大，使板塊邊界弱化，促進板塊俯衝加強，從而導致碳埋藏量增加，促使了藍藻的繁盛與氧氣的不斷增多。

有機界和無機界共同推動了地球歷史上第一次大氧化事件的形成，從而使地球步入了新的發展階段，生物界更是拉開了走向複雜生命現象的演化大幕。

生命離開氧氣就不能存活了嗎

地球上絕大多數生命都離不開氧氣，但是最近《自然-天文學》發表的一篇論文表示：微生物可以在百分之一百的氫氣中生存和生長。

科學家們用原核生物中的大腸桿菌和真菌中的酵母來進行了實驗，研究發現，簡單的單細胞原核生物——大腸桿菌，以及更複雜的單細胞真核生物——酵母都可以在100％氫氣氣體環境下的液體培養基中生存和繁殖。

釀酒酵母菌株的彩色掃描電子顯微照片

圖源phys.org

對於生長在100%氫氣中的大腸桿菌，最大細胞濃度（每單位體積的細胞數）僅比在空氣中生長的大腸桿菌中的濃度小兩倍。

如果可用氧氣的含量低，大腸桿菌將從有氧呼吸轉變為基於無氧呼吸或發酵的低效能量代謝（單位分解有機物產生的能量較小）。

酵母菌在100%氫氣中的最大細胞濃度比在空氣中顯著降低，大概是降低2.5倍，而且繁殖時間是空氣中的大約三倍時間。如果生命能在100%氫氣的大氣中生存，那麼它也能在氫氣主導的大氣中生存。

圖源Veer圖庫

不僅氫氣，研究人員還探索了氦氣環境下的生命生存狀態。結果發現，與氫氣環境相比，純氦氣環境的其他控制措施顯示出類似的大腸桿菌生長曲線，這說明生命也有可能在氦氣環境下生存。

這意味著，我們未來在尋找宜居行星的時候，就可以打破以前的標準，不用再以尋找含氧大氣為標準尋找宜居星球了。

轉載自｜陝西科普

奉賢科技發布

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