地球的氧氣從何而來？氧氣上升到今天的水平，實際上是相當困難的

2020-10-18 博科園

一個多世紀以來，可居住外星世界的存在想法，一直是很多科幻家的題材。在19世紀，天文學家認為火星人可能正在使用運河交通線路穿越這顆紅色星球。現在，儘管生活在一個科學家可以研究距離我們太陽係數光年行星的時代，但大多數新研究表明繼續減少了找到人類可能生活的其他星球的機會。最大的絆腳石可能是氧氣，人類定居者需要一個高氧氣的大氣來呼吸。那麼，我們是如何如此幸運地在一個氧氣充足的地球上進化的呢？

地球海洋和大氣的歷史表明，氧氣上升到今天的水平是相當困難的。目前的共識是，地球經歷了大氣和海洋含氧量的三步上升，第一次被稱為「大氧化事件」，發生在大約24億年前。之後是大約8億年前的「新元古代氧合事件」，最後是大約4億年前的「古生代氧合事件」，當時地球上的氧氣水平達到了現代峰值的21%。在這三個時期發生了什麼來增加氧氣水平，這是一個有爭議的問題。一種想法是，新的有機體對地球進行了「生物工程」，通過它們的新陳代謝或生活方式來重組大氣和海洋。

例如，大約4億年前陸地植物的崛起，可能通過陸上光合作用增加了大氣中的氧氣，取代了海洋中的光合細菌，後者在地球歷史的大部分時間裡，一直是主要的氧氣製造者。或者，板塊構造變化或巨大的火山噴發也與地球氧合事件有關。這部以事件為基礎關於地球上氧氣是如何變得如此豐富的歷史暗示著，我們非常幸運地生活在一個高氧氣的世界裡。如果沒有發生一次火山噴發，或者某種有機體沒有進化，那麼氧氣可能會在低水平停滯。

磷，缺失的一環

最新研究表明，情況並非如此，我們創建了一個地球碳、氧和磷循環的計算機模型，發現氧轉變可以用地球內在動力學來解釋，很可能不需要任何奇蹟事件。關於地球氧合理論中缺少的一樣東西是磷，這種營養物質對海洋中的光合細菌和藻類非常重要，有多少海洋磷最終將控制地球上產生多少氧氣。這在今天仍然是正確的，自從大約30億年前光合作用微生物的進化以來就是如此。海洋中的光合作用依賴於磷，但高磷酸鹽水平也通過一種稱為富營養化的過程推動深海氧氣消耗。

當光合微生物死亡時，它們會分解，這會消耗水中的氧氣，隨著氧氣水平的下降，沉積物往往會釋放出更多的磷。這個反饋迴路能迅速除去氧氣，這意味著海洋中的氧氣水平能夠迅速變化，但它們在長時間尺度上被另一個涉及地幔的過程緩衝。縱觀地球歷史，火山活動釋放出與大氣發生反應並從大氣中除去氧氣的氣體。由於地幔冷卻，這些氣體流量隨著時間的推移已經消退，計算機模型表明，隨著光合作用生命的最初演化，這種緩慢的減少，是產生一系列氧氣水平階躍變化增加所必需的。

這些階梯式增加與整個地球歷史上發生的氧氣三步上升有著明顯相似之處，該模型還支持我們目前對海洋氧合作用的理解，在海洋變得像今天這樣有彈性地氧合之前，海洋氧合作用似乎經歷了無數次的氧合和脫氧循環。所有這一切真正令人興奮的是，氧合模式可以被創造出來，而不需要困難和複雜的進化飛躍，也不需要間接的災難性火山或構造事件。因此，一旦光合作用進化，地球氧合作用似乎是不可避免的，而在其他地方存在高氧世界的可能性可能要高得多。

博科園｜文：Lewis Alcott and Benjamin J. W. Mills/The Conversation

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    人類的呼吸離不開氧氣，地球上的氧氣幾乎是所有生命存在的必須元素。除了一些厭氧型生物可以在沒有氧氣的條件下生存之外，地球上所有的生命活動都離不開氧氣。氧氣就是地球贈予生命的一種的財富，但似乎被人們認為是理所當然。隨著人類對資源環境的利用，氧氣的主要來源綠色植物大量減少，那麼，氧氣會有被耗盡的那一天嗎？
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    實際上無論是金屬的生鏽，還是生命的衰亡，都是氧化反應在起作用，而讓這一過程進行所必需的成分，便是生活中無處不在的氧氣(O₂)，它在維持機體正常生命活動的同時，也在慢慢地消耗我們的壽命。這是一種化學性質十分活躍的氣體。
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