讓生命窒息的氧氣—大氧化事件

氧氣是我們賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，但是在24億年前，氧氣卻帶來了一場(chǎng)生命的浩劫，這就是我們今天要說的大氧化事件（GOE）。我們知道，地球中儲(chǔ)量最豐富的元素是氧元素，但是地球在剛形成的很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都沒有氧氣（O₂）的存在，氧只是以元素的狀態(tài)存在于水或巖石中。后來出現(xiàn)了藍(lán)藻細(xì)菌，這是一種能在無(wú)氧環(huán)境下生存，并且具有原始光能合成體系的原核生物，在藍(lán)藻細(xì)菌的光合作用下，氧氣才開始出現(xiàn)在大氣和海洋中，但是含量不足現(xiàn)在氧含量的0.001%。大約在24.5億年前（元古宙初期），地球上的氧氣突然開始大量聚集，這就是大氧化事件。

大氧化事件和條帶狀鐵建造（BIF）

條帶狀鐵建造是形成于前寒武紀(jì)(主要是太古代到古元古代)的沉積變質(zhì)鐵礦，主要由薄層狀硅質(zhì)礦石(碧玉、燧石、石英)和鐵質(zhì)礦石(磁鐵礦、赤鐵礦)交替組成。那么，大規(guī)模的條帶狀鐵建造在地球早期是怎么形成的呢？在氧氣產(chǎn)生前，整個(gè)地球處于還原性環(huán)境，大洋玄武巖中的鐵元素以亞鐵形式存在，后來大量藍(lán)藻細(xì)菌在海洋中發(fā)育并進(jìn)行光合作用，光合作用產(chǎn)生的氧氣很快與海洋中溶解的還原性鐵結(jié)合，形成不溶性的鐵氧化物沉淀下來，而這種韻律性的條帶狀構(gòu)造可能與早期地球海洋中物質(zhì)循環(huán)周期有關(guān)。前寒武紀(jì)條帶狀鐵建造最早形成于38億年前，在25億年前伴隨著大氧化事件的發(fā)生達(dá)到高峰，在18億年前結(jié)束。

大氧化事件的時(shí)間之謎

我們一般認(rèn)為大氧化事件發(fā)生在24.5億年前，但是最早的產(chǎn)氧生物可能早在34億年前出現(xiàn)。從光合作用開始產(chǎn)生氧氣到大氣中氧氣含量的迅速增加，這之間有長(zhǎng)達(dá)9億年的差距，為什么會(huì)有這種時(shí)間延遲呢？氧含量的快速增加除了依賴光合作用外還需要其他因素助攻。

有研究認(rèn)為，大氧化事件的發(fā)生需要地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的觸發(fā)。科學(xué)家研究了地球歷史上的大氣氧含量，他們發(fā)現(xiàn)，每次較小的陸塊碰撞形成超大陸時(shí)，如：Pangea大陸，大氣中的氧氣含量就會(huì)飆升。這或許是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成了山脈，隨著山脈的侵蝕，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放到海洋中，為光合細(xì)菌提供養(yǎng)分，使得光合細(xì)菌大量繁殖，最終導(dǎo)致產(chǎn)氧量快速增加。2016年發(fā)表在《Nature Geoscience》的一篇文章提出了另一種觀點(diǎn)，認(rèn)為在27億年前，地球上的大陸為玄武巖，到25億年前左右，板塊構(gòu)造和俯沖作用開始，地殼成分從富含鐵和鎂的鎂鐵質(zhì)巖石變?yōu)楦缓L(zhǎng)石和石英的長(zhǎng)英質(zhì)巖石，并且地殼中由巖漿作用產(chǎn)生的幔源還原劑的含量減少，所以這可能導(dǎo)致了地球表面的氧化效率下降，使得大氣中的氧含量上升。

另一種假說是鎳的減少。在氧氣產(chǎn)生的初期，大氣中充滿了由產(chǎn)甲烷細(xì)菌產(chǎn)生的甲烷氣體，在紫外線輻射下，剛產(chǎn)生的氧氣很容易和甲烷反應(yīng)生成二氧化碳和水。產(chǎn)甲烷細(xì)菌一般生存在多水、缺氧的沼澤和濕地環(huán)境中，鎳是維持它們生存的重要元素，如果缺少鎳，對(duì)產(chǎn)甲烷細(xì)菌起關(guān)鍵影響的酶就會(huì)遭到嚴(yán)重破壞。有研究者對(duì)層狀鐵礦地層里的巖石所含的鎳進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在大約25億年前，即“大氧化事件”開始前，鎳的含量?jī)H為之前的一半。鎳含量的急劇下降抑制了甲烷的生成，所以導(dǎo)致大氣中氧含量的快速積累。

大氧化事件對(duì)地球的影響

在氧氣產(chǎn)生前，地球上主要生活著厭氧原核生物，大氧化事件中產(chǎn)生的大量氧氣對(duì)于當(dāng)時(shí)生存在缺氧環(huán)境下的原核生物來說無(wú)疑是“毒氣”。此外，氧氣和大氣中的甲烷反應(yīng)生成水和二氧化碳，減輕了地球的溫室效應(yīng)，導(dǎo)致地球降溫，引發(fā)了休倫冰期，冰期從大約24億年前開始，一直持續(xù)了3-4億年，這可能是最長(zhǎng)的雪球地球事件。在雙重打擊下，大部分厭氧生物逐漸滅絕，而從大氧化事件中幸存下來的生物開始了有氧代謝。生命的代謝進(jìn)化這一突破極大地增加了生物可利用的自由能，為生物的多樣性創(chuàng)造了可能。例如，在大氧化事件之后進(jìn)化而來的線粒體，它為生物體提供了能量，使其能夠在與日益復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)的相互作用中過程，進(jìn)化出新的、更復(fù)雜的形態(tài)。

除此之外，大氧化事件還引發(fā)了礦物多樣性的爆炸式增長(zhǎng)，氧氣是一種化學(xué)性質(zhì)很活躍的氣體，有很強(qiáng)的氧化性，它能和許多巖石和礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變它們的組分和結(jié)構(gòu)，形成新的礦物。在大氧化事件之前，所有的元素處在氧氣含量極低的環(huán)境下，元素之間的組合受到限制，形成的礦物的種類較少；大氧化事件發(fā)生后，在近地表環(huán)境中，許多元素以一種或多種氧化形式存在于礦物中，礦物變得越來越多樣。以銅為例，在大氧化事件之前，地球上最多擁有20多種含銅的礦物，然而現(xiàn)在，世界上有超過600多種不同的銅礦物已經(jīng)分門別類，包括那些散發(fā)華麗藍(lán)色和綠色的藍(lán)銅礦、孔雀石以及綠松石。這就是氧氣的影響，在氧氣的參與下，許多礦物能與銅、氧以及其他元素緊密結(jié)合，形成獨(dú)特的新礦物。據(jù)估計(jì)，在地球上目前發(fā)現(xiàn)的大約4500種礦物中，有2500多種是大氧化事件直接造成的。