氧从哪里来？

撰文/岩雪松

氧从哪里来？

撰文/岩雪松

早期的海洋中，存在大量的氧，但大气中却不存在氧气。如果这种情况一直持续下去，地球早期的生命除了绿藻以外就所剩无几了，那会是一个非常荒凉的世界。氧气何时在大气中出现？它的浓度何时达到了与我们现在相同的水平？

氧无疑是地球上最重要的元素，没有氧，这个千姿百态的星球可能完全是另一种景象。那么氧到底是何时与地球“相爱”的呢？

早期的海洋中，存在大量的氧，但大气中却不存在氧气。如果这种情况一直持续下去，地球早期的生命除了绿藻以外就所剩无几了，那会是一个非常荒凉的世界。一直以来，研究人员相信，氧气在30亿年前就已经存在于地球大气层中了。这种推断在很长一段时间内没人反驳，因为30亿年对人类而言实在是太久远了……利用化石追踪一些能够产生氧气的有机体的做法虽然很有效，但却有着局限性——因为利用化石只能追溯到20亿年前的时代，更早之前的地球发生的事情，就无法通过化石来进行研究了。

2000年，美国学院公园市马里兰大学的地质化学家发明了一种与硫同位素有关的技术。他发现，在24亿年前，一直存在3种硫同位素之间的同位素变化的情况。这种情况并不像人们认为的那样，依赖于同位素的质量。经他的研究，有理由相信，在24亿年前，我们赖以为生的大气中终于出现了氧气。

大多数学者认为，海洋—大气系统中氧气含量的变化一直呈阶梯状，而且阶梯的台阶一直在上升。阶梯的第一级，大约发生在26亿年前，也就是所谓的“大氧化”事件时期，这个阶段对真核生命的起源和进化具有重要的意义；阶梯的第

然而，光是有氧气，并不能让我们的地球就此生机勃勃。就像人们到了青藏高原，会产生高原反应一样，过于稀薄的大气不足以让生物生存。而大气中的含氧量很明显是经过了上亿年的变化，才达到我们现在所知道的浓度的。那么，海洋和大气中的含氧量，一直以来是如何变化的呢？二级大约发生在前一级之后的两个亿年，这时候地球上首次出现了最早的动物多样化特征。

不过最近一个来自美国加州大学的研究小组认为早期的原始海洋—大气系统中的氧气含量变化并不是单一的上升趋势，他们罗列出令人信服的证据，表明原始大气中的氧含量在经历了上升过程之后，有一个明显的下降过程。

地球生化学教授蒂莫西·莱昂斯认为，海洋—大气中的氧含量在23亿到22亿年前累积到最大，氧气的浓度甚至接近我们今天的大气。但是，一些新的数据表明，海洋—大气系统中的氧气浓度并不是一直在上升，大约在2亿年前，海洋—大气系统中氧气的浓度有一个明显的下降过程。

莱昂斯解释说，这种海洋—大气系统氧气含量的下降，可能已经持续了超过10亿年，造成地球表面氧气浓度的回降，包括深海形成的低氧区。这种情况的出现也许是地球上出现动物的一个关键因素。

碳，还是硫？

他们是通过什么方法得出这个结论的呢？首席研究员来恩·普兰凯解释说：“距今23亿到21亿年前是碳同位素最长久和最活跃的时候。”在光合作用过程中碳同位素被固定在有机物中。当有机物质被掩埋以后，氧气被释放到大气中并增加了大气中氧气的浓度。掩埋的有机物可以通过同位素来进行跟踪。

“有些研究人员认为，碳同位素可能会转移到其他物质中去，而不会一直保留在有机物中，并且和氧气释放相关联，”普兰凯说，“我们在对来自美国、加拿大、南非和津巴布韦岩石中的硫同位素的研究表明，有机掩埋能够很好地解释古代海洋—大气系统中氧的变化。”

研究人员对硫的研究表明，古代海洋—大气中氧含量开始下降的时候，海洋中硫酸盐的浓度很高，和今天海洋中硫酸盐的浓度差不多，这也意味着海洋—大气系统中的氧含量较高。硫离子是海洋比较丰富的带负电荷的离子，今天海洋中硫离子的含量仍然很高，因为硫铁矿很容易被氧化，并且被掩埋在丰富含氧气的海洋中。

莱昂斯说：“硫酸盐含量的减少导致了氧气含量的上升。为什么会出现这种情况？这种变化如何影响了10亿年的海洋化学及海洋生命？这些话题都是海洋研究的热点。有的人认为，地球表面上氧含量的上升和下降是至关重要的，可以帮助人们理解环境和生物进化之间的联系。”

大氧化事件，是指约26亿年前，大气中的游离氧含量突然增加的事件，这一事件的具体原因尚不得知。大氧化事件使得地球上矿物的成分发生了变化，也使得日后动物的出现成为了可能。