當今地球的大氣圈和海洋表層充溢著氧氣，滋潤著地表絕大多數的生物生長。但是直到上世紀六十年代，科學家才發現地球上的氧氣並非與生俱來，而是姍姍來遲，在地球經歷了漫長的23億年後才出現。也就是說，地球幾乎花了迄今一半時間才改變了原來的無氧環境或還原環境，即不含或含極微量游離氧和其他強氧化劑，而是富含大量有機殘體和甲烷、氫等還原性物質的環境，從而開始了有氧環境下的演化。而有氧環境的形成主要歸功於微小的藍藻長期不懈釋放氧氣的結果。
氧氣並非與生俱來？看科學家說氧氣的產生
美國科學家克勞德（Preston Cloud）1968年在他出版的《原始地球大氣圈和水圈的演化》首次佐證了距今25億年前大氣氧含量非常低。他在考察美國安大略省南部休倫湖北部休倫超群的巖石時觀察到，在大約25到24億年前較早的河流沉積物中含有碎屑鈾礦和黃鐵礦，它們都是還原環境下的產物。而在更年輕的巖石中，其中的鈾礦和黃鐵礦消失了，但出現了強烈紅色的砂巖，這些巖層被稱為紅層，說明存在有被氧化的三價鐵。
科學家James Farquhar通過研究巖石硫同位素，根據它們的不同分餾性質，發現在地球歷史的不同時期巖石所包含的硫同位素分餾信息是有顯著差別的，而這種差別的時間點可以精確界定在大約23.5到23億年前，因此，很好地證明了地球第一次大氧化事件的發生，當時大氣中的氧氣從無到有，大氣含氧量約為今天大氣氧含量的1%。
△地球歷史的不同時期巖石硫同位素分餾信息的不同表現。（圖片來源：Farquhar et al.，2003）
圖中橫坐標是地球年齡，從4000百萬年到0百萬年表示地球從開始到現在，圖中的黑點代表一個個樣品數據，如果它對應縱坐標值為0，說明就是正常的質量相關分餾。從圖中我們可以看出，在階段1時，出現了大量的質量無關的分餾。James Farquhar隨後證明了這種反常情況的出現主要是地球早期巖石被來自太陽光的紫外光照射而產生的，而後來又消失的原因是由於地球大氣圈產生了臭氧層（是氧在平流層的一種形式）吸收了紫外光，所以這種反常分餾的消失就可以代表氧氣的大規模出現。
近來，一個國際科學家小組對來自加拿大哈德遜灣的重晶石進行了研究，這些巖石已存在數十億年，儲存了特定時間大氣中氧氣含量的信息。藉助這些巖石，研究小組證明：大約24億年前，大氣中氧氣的濃度急劇增加，他們的結果發表在《美國國家科學院院刊》上。
大氧氣事件：生命的劫難，更是生命的新生
毫無疑義，大氧化事件對自然界和生物界都產生了深刻的影響，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。但是，大氧化事件也導演了距今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，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。但是，有氧環境卻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。
大氧化事件導致的有氧環境，其演化並非一帆風順。生物演化在氧氣的指揮棒下，也是幾經滅絕與新生。2014年，美國耶魯大學學者在《科學》雜誌上發表研究認為，在氧濃度較高的情況下，地球巖石中的部分鉻同位素易被氧化並溶於水，流進海洋，造成巖石中的這部分鉻同位素含量降低。因此，研究不同歷史時期的巖石鉻同位素水平可反映相關年代的大氣氧濃度。由此證實了第一次大氧化事件後，地球環境曾經再一次進入漫長的低氧環境。
那麼，為什麼會進入漫長的低氧環境呢？科學界目前提出了一個理論模型「有機碳庫模型」，該模型表明，前寒武紀海洋表層透光帶內進行光合作用的微生物主要是原核生物，這些微生物死亡後的有機質易氧化降解，在海水中不斷積累，如同一個巨大沼澤池。水體中大量腐殖有機質不斷消耗著海水中氧氣，從而導致了海水的缺氧。這種狀況幾乎一直延續了十幾億年，到距今6-5.2億年前才得到了根本改變，並形成了第二次大氧化事件。
生物進化的飛躍——第二次大氧化事件
今年以來，由南京古生物研究所朱茂炎研究員與英國倫敦大學科學家組成的研究團隊，在早期生物演化與大氧化事件取得了系列成果。他們發表在《自然-地球科學》的研究表明，促使第二次大氧化事件形成的主要原因是大規模造山運動將大量蒸發巖礦物風化剝蝕輸入海洋。因為富含硫酸鹽的蒸發巖是一種氧化劑，可以通過硫酸鹽還原菌對海水中的有機質進行氧化，形成黃鐵礦埋藏在沉積物中，導致當時海洋中有機碳庫快速減少。同時，隨著海洋中有機碳的快速氧化，向大氣排放大量CO2，進一步導致大氣升溫，從而加強了陸地風化作用和蒸發巖向海洋的輸入量，使海洋中有機碳庫進一步被氧化，形成了一個海洋氧化的正反饋作用機制，使得大氣和海洋中的氧氣快速增加，為地球大型複雜多細胞生命的快速演化奠定了基本條件。
△蒸發巖風化與海洋有機碳庫氧化的正反饋模型圖（圖片來源：南京古生物研究所網站）
同時，由於海綿動物的出現，開始捕食海水中懸浮的有機質，加速了海水有機質的消耗和埋藏，減少了海水中氧氣的消耗。隨著氧氣含量的增加，微型浮遊動物和出現的身體結構複雜的動物形成了複雜的食物網，大量消耗海水中的有機質，並以動物大顆粒排洩物和屍體的形式進入沉積物，大大提高了有機物埋藏的效率，最終導致了海洋和大氣中氧氣含量的增加。
第二次大氧化事件極大地推動了生物的發展，近四十年來在我國不斷發現的前寒武紀晚期生物群表明，六億年前出現的藍田生物群顯示那時的生物已然宏體化，高家山生物群證明生物的骨骼化進程已經開始，特別是澄江生物群和清江生物群的發現，打開了寒武紀生命大爆發的窗口，真正開啟了通向現代生物圈的演化大幕。
寒武紀生命大爆發謎底揭開？氧氣含量是關鍵
寒武紀（距今5.42至4.85億年）是顯生宙第一個時代，寒武紀早期發生的生命大爆發湧現了現今幾乎所有的動物門類，奠定了通向現代生物多樣性發展的基礎。但是，長期以來科學界一直在探索寒武紀生命大大爆發的形成機制，並提出了一系列假說。今年5月7日，中英俄國際合作團隊在英國《自然-地球科學》（Nature Geoscience）在線發表研究成果，給這一科學難題提供了新的答案。他們通過對西伯利亞寒武紀早期連續的碳酸鹽巖地層剖面中的碳、硫同位素研究，揭示了大氣和海洋的氧氣含量對寒武紀大爆發過程的控制。
他們提出的生物地球化學循環模型計算表明，寒武紀早期距今5.24億年至5.14億年期間發生了五次同步變化。當海水碳、硫同位素同步偏重（正異常）時，表明有機碳和黃鐵礦埋藏量增加，導致氧氣產量的快速增加；當海水碳、硫同位素同步偏輕（負異常）時，表明有機碳和黃鐵礦埋藏量減少，導致氧氣產氧量的減少。碳、硫同位素變化幅度反映了大氣和淺海中氧氣含量的變化幅度。而距今5.14億年之後碳、硫同位素的不同步變化則反映了海水的普遍缺氧。因此，動物在大約5.2億年前後階段性的快速輻射演化（寒武紀大爆發）很可能受到大氣和海洋中氧氣含量的控制。特別是寒武紀大爆發的高峰時期，海水碳和硫同位素值發生的同步波動的次數和幅度，與動物化石多樣性變化的次數和幅度在時間上的高度吻合（He,T, Zhu,M,. et al.,2019）。
△西伯利亞寒武紀早期碳、硫同位素和氧氣生產量變化與動物多樣性之間的關係。縱向為寒武紀大爆發時期的時間軸，橫向三欄分別為碳、硫同位素變化曲線、氧氣輸出量和動物種類數量/古杯類種類數量。（圖片來源：南京古生物館研究所網站。）
自寒武紀生命大爆發以來，地球大氣層中氧氣的含量變動在10%到35%之間，現在是21%。正是氧氣不斷充溢著大氣層，改善了大氣氧化環境，促使動物登上了陸地，演化出包括我們人類的無數生命，呈現了一幕幕波瀾壯闊又跌宕起伏的生物演化。
參考文獻：1.Cloud, J.P.E.,1968. Atmospheric and hydrospheric evolution on the primitive Earth. Science,160: 729-736.2.Farquhar J, Wing B A. Multiple sulfur isotopes and the evolution of the atmosphere[J]. Earth & Planetary Science Letters, 2003, 213(1-2):1-13.3.He, T., Zhu, M., Mills, B. J.W., Wynn, P. M., Zhuravlev, A. Yu., Tostevin, R., Pogge von Strandmann, P. A. E., Yang, A., Poulton, S. W., Shields, G. A.*, 2019. Possible links between extreme oxygen perturbations and the Cambrian radiation of animals. Nature Geoscience, 10.1038/s41561-019-0357-z。4.Shields, G. A., Mills, B. J. W., Zhu, M., Raub, T. D., Daines, S., Lenton, T. M., 2019. Unique Neoproterozoic carbon isotope excursions sustained by coupled evaporite dissolution and pyrite burial. Nature Geoscience, https://doi.org/10.1038/s41561-019-0434-3.
出品：科普中國
製作：馮偉民（中國科學院南京地質古生物研究所）
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