大約在24億年前的大氧化事件中，氧氣首先積累在地球大氣中。一個長期存在的難題是，地質學線索表明，在此之前的數億年前，早期細菌正在進行光合作用並抽出氧氣。一切都去哪了？
某種原因阻止了氧氣的上升。對數十億年前的巖石的新解釋認為，火山氣體可能是罪魁禍首。由華盛頓大學領導的這項研究於6月發表在開放存取雜誌《自然通訊》上。
「這項研究為復甦的一個經典假說演變大氣中的氧氣，」主要作者太郎門屋，在地球和空間科學威斯康星大學博士後研究員說。「數據表明，地幔的演化可以控制地球大氣層的演化，甚至可以控制生命的演化。」
多細胞生命需要集中的氧氣供應，因此氧氣的積累是地球上吸氧生命發展的關鍵。
卡多亞說：「 如本研究表明，如果地幔的變化控制了大氣中的氧氣，那麼地幔最終可能會設定生命進化的節奏。」
這項新工作建立在2019年的一篇論文的基礎上，該論文發現與現代地幔相比，早期地球的地幔被氧化的程度要低得多，或者包含更多可以與氧氣發生反應的物質。這項對高達35.5億年歷史的古老火山巖的研究是從包括南非和加拿大在內的地點收集的。
2019年研究的作者包括斯克裡普斯海洋學研究所的Robert Nicklas，馬裡蘭大學的Igor Puchtel和亞利桑那州立大學的Ariel Anbar。他們還是新論文的共同作者，研究地幔的變化如何影響逃逸到地表的火山氣體。
當地球上只有微生物生活的時候，太古代的伊恩比今天更加活躍。火山噴發是由巖漿（熔融和半熔融的巖石的混合物）以及即使在火山未噴發時仍逸出的氣體引起的。
這些氣體中的一些與氧氣反應或氧化，形成其他化合物。發生這種情況的原因是，氧氣往往會渴望電子，因此任何帶有一個或兩個保持鬆散的電子的原子都會與其發生反應。例如，火山釋放的氫與任何游離氧結合，從而將其從大氣中清除。
地幔或地殼下較軟的巖石層的化學組成最終控制著來自火山的熔融巖石和氣體的類型。氧化程度較低的早期地幔會產生更多的氣體，例如與自由氧結合的氫氣。2019年的論文顯示，從35億年前到今天，地幔被逐漸氧化。
這項新研究將這些數據與來自古代沉積巖的證據相結合，顯示了在25億年前的某個時候的臨界點，那時微生物產生的氧氣克服了其向火山氣體的損失，並開始在大氣中積累。
華盛頓大學地球與空間科學教授戴維·卡特林（David Catling）說：「基本上，在光合作用發生後的數億年之內，可氧化的火山氣體的供應就能吞噬光合作用的氧氣。」 「但是隨著地幔本身被進一步氧化，釋放出的可氧化火山氣體減少了。然後，當不再有足夠的火山氣體將其全部清除時，氧氣便淹沒了空氣。」
這對於理解地球上複雜生命的出現以及其他星球上生命的可能性具有啟示。
卡多亞說：「研究表明，考慮到行星表面和生命的演化，我們不能排除行星的外層。」