是地球上早期生命導致前寒武紀矽鐵建造的形成嗎？

一般認為，地球上的生命可能在38億年前海洋剛形成之後就開始了[1]，隨後，微生物生命進化出了可以分解水的光合作用而將氧氣作為廢氣釋放到海洋中[2]， 這些氧氣與海水中溶解的鐵反應而導致鐵的氧化物的沉積。

圖1 疊層石是最古老的生物化石記錄，表明在35億年前地球上已經有生命的存在

在地球上形成這種大規模的建造始於35億年前 (圖1)，在18億年前由於大氣氧的增加和海洋的趨於氧化而急劇減少。矽鐵建造在全球都有分布。在南非和辛巴威有最老的矽鐵建造；在澳大利亞則有最大規模的矽鐵建造，在中國的華北地區也有大規模的矽鐵建造分布。矽鐵建造的形成是已知沉積地質學和地球演化理論中最具爭議的，但現在越來越多的地質學家和生物學家認為該過程記錄了地球上剛形成的微生物生命所形成的生物圈與其所處地質圈層之間的相互作用。條帶狀鐵建造給我們現在全球的鋼鐵工業提供了95%的鐵礦資源。關於這些條帶狀矽鐵建造仍有許多難解之謎，比如：① 它的沉積從什麼時候開始的？② 是什麼地質過程為它的沉積提供了巨大的鐵源，並通過什麼樣的機制將鐵輸運到海洋之中？③ 海洋中溶解的鐵通過什麼樣的機制沉積下來的？也許最重要的問題是：④ 在它沉積的過程中對海洋的化學產生了什麼樣的改變？在這個漫長的過程中已經充滿海洋的微生物世界又發生了什麼？這些都是自從發現條帶狀鐵建造以來地質學家們一直思索的問題[3]。

圖2 前寒武紀矽鐵建造的矽質和鐵質條帶記錄了當時大氣、海洋和生物的信息

條帶狀矽鐵建造的特徵是以富鐵的和富矽的薄厚不等的互層建造(圖2)[4]。這種成分迥異的組成在任何露頭上均可看到，細的條帶只有近毫米而厚的條帶則達到米以上尺度[5]。這些鐵的沉積被稱為前寒武紀矽鐵建造。其含鐵量一般在15%以上，一般會在25%~35%。沉積的赤鐵礦或磁鐵礦一般會與燧石或鐵矽酸鹽-鐵碳酸鹽互層。即使在顯微尺度上，富鐵條帶與富矽條帶的邊界仍是很清晰的。在35億年前的海洋和大氣中幾乎沒有氧氣，由於Fe2+相比較於Fe3+在水中有較高的溶解度，海洋中積累了巨量的Fe2+。雖然多數人認為厭氧光合細菌對太古宙海洋中鐵的氧化起很大作用，但爭議仍然存在[6, 7]。如果不考慮反應效率的問題，有三種可能的反應機制可以氧化海洋中的Fe2+（圖3）：① 被大氣中的氧氣所氧化；② 被紫外線照射引起的無機光化學過程氧化；③ 氧化 Fe3+作為生命光合作用的副產品。其中第一種可能性可以排除，因為即使很低的大氣氧濃度也足以抑制在較長的地質時間尺度上Fe2+的供應和積累。比如現代海洋的全球均一化時間大約在千年尺度，如果大氣中有游離的氧的話，會很快被Fe2+消耗完。但事實上在元古代有大量的鐵建造沉積說明那時大氣中游離氧濃度是很低的。

圖3 矽鐵建造的三種成因模式

（a）藍細菌經光合作用產生氧氣釋放到水體中氧化海底熱液釋放的二價鐵離子；(b) 紫外線照射促使表層海水二價鐵氧化；(c) 二價鐵作為電子供體直接參與光合作用過程，其結果是是產生三價鐵而不產生氧氣[12]（新增配圖）

現在已有足夠的證據證明元古代早期的疊層石中的微生物是可以還原大氣中的CO2的，並且其還原CO2過程需要一定的光能但不是必須有氧參與的二步光合作用機制。雖然仍舊沒有確鑿的證據表明光合作用是什麼時候開始的，但在世界各地的古老地層，如太古代地層中普遍觀察到疊層石是公認的藍-綠細菌存在的證據[8]，這種細菌在厭氧的條件下進行光合作用，其副作用是產生氧氣。在大約27億年前晚太古代的海洋逐漸形成紫菌繁盛的局面[9]，它與早期大氣氧的積累有聯繫。在隨後的近10億年中，紫菌的進一步繁盛把大氣氧的濃度提高到現在大氣氧濃度的1/4左右（圖4）。紫菌在這段漫長時期的繁盛一方面是由於其光合作用的能量過程具有優勢，另一方面它所產生的氧氣對大部分的厭氧微生物是有毒的。真核細胞在距今18億年的時候產生，又經過了6億~8億年的時間光合作用的功能終於出現在真核細胞之中。之後藍藻的出現和繁盛進一步把大氣氧的濃度進一步提高現在的水平[10]。而藍藻的後代-植物則在5億年前後出現，將地球表面裝點成我們現在所熟悉的景觀。地殼中的鐵溶解到海洋中，再經複雜的地球化學和生物學過程而沉積。正是這種過程在地球早期的海洋中至少持續了17億年，並給地球表層的礦物學、地球化學特徵，水圈和生物圈的演化帶來了深刻的變化。

圖4 大氣圈氧含量、沉積物與海洋生物演化示意圖[13]（新增配圖）

由於那時大陸仍處於形成和增長階段，全球的表面更多地被海洋所覆蓋，因此鐵的沉積也基本上是全球性質的。在澳大利亞哈莫斯利省的一個叫布羅克曼鐵建造是一個大約10萬km2的盆地，其中現在仍有鐵的沉積就超過50萬億t，而全球表面的沉積則至少有500萬億t的鐵[11]。到大約距今17億~18億年的時候，氧氣越聚越多，在將海洋中溶解的Fe2+消耗殆盡之後聚集在大氣中。在海洋和大氣中存在的氧氣也引起了地球上最早的生物大災難。大量的在地球海洋中已經繁衍和演化了將近20億年的厭氧生物因氧氣破壞了其呼吸作用所必需的電子轉移過程而滅絕。但另一方面，由於生物開始適應有氧呼吸而逐漸擁有一個更有效地使用能量的生化機制，從而大大地加快了生物的演化。多細胞生命、藻類和原生動物生命隨後接踵而至，最終導致了寒武紀的「生命大爆發」，揭開生命演化最絢麗多彩的一頁。

撰稿人：李一良，香港大學地球科學系和生命科學學院, [e-mail]

本文摘錄自《10000個科學難題·地學科學卷》，科學出版社，2010.

主要參考文獻

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