氧气的诞生之旅——5亿年前，生产氧气的大功臣竟然是一种石头吗

植物可以通过光合作用将空气中的二氧化碳和水转化成氧气。但你知道，这个世界上还有哪些生物可以 为人类生产源源不断的氧气吗？还有，你知道5亿年前生产氧气的大功臣竟然是一种石头吗？

早期地球的氧气含量极低

空气里有多少氧气？大家都会说，21%！但是在很早以前，地球上的氧气含量却远没有这么高。已有研究表明，早期地球是极端缺氧的。实际上，在地球接近46亿年的历史中，有着近一半的时间可供动植物进行自由呼吸的氧气的含量，还不到现在大气氧含量的0.001%！而现在占据现代大气含量21%的氧气，都是经过一系列自然界的增氧事件慢慢积累起来的。地球上发生的比较显著的增氧事件有两次，我们称之为大氧化事件。尤其是在距今5.8亿-5.2亿年前后，地球早期大气和海洋中的氧气含量发生了快速增加的现象，快速增氧现象的产生，都要归功于一种“石头”——蒸发岩。

石头可以产氧气？这并不是天方夜谭。2019年9月2日，中英两国科学家在《自然-地球科学》發表论文，在地球不断演进过程中产生的大规模地壳运动，将很多平原变成山脉，甚至还将一些山脉推入了海水中，而蒸发岩作为这类山脉的一种主要物质来到海水中之后，对大洋进行了氧化。这使得普遍缺氧的深部大洋含氧量大幅度提升，从而催生了生命的起源，为地球大型复杂多细胞生命的快速演化奠定了基本条件。

第一次大氧化事件：蓝藻的产生

虽然证明了石头产氧，但蓝藻是第一次大氧化事件的主要功臣。第一次大氧化事件发生在距今大约24亿年前后。由于蓝藻（原核生物的一种）长期勤勤恳恳的光合作用，产生的氧气终于消耗掉了地球早期存在的大量还原性物质，还清了“祖祖辈辈留下的债务”，开始了氧气的原始积累。蓝藻的产氧使得大气中的氧气含量达到了现代大气氧含量的1%，并随着氧气层的逐渐丰厚，使得真核生物在地球上首次出现。

随着真核生物的诞生，地球上开始出现了一批自发消耗氧气的生物。生物的耗氧和产氧本应该是一个良性循环，但是科学家发现，随后长达十几亿年的时间内，大气中的氧气含量却并没有进一步增加，甚至还低于第一次大氧化事件时期的水平。对于前寒武纪海洋中的氧气含量为什么长期很低的问题，目前学界有一种说法，是因为原核植物中存在“有机碳库模型”。该模型认为前寒武纪海洋表层透光带内进行光合作用的微生物主要是原核生物（蓝藻），这些蓝藻在死亡之后，依然存在于海水之中，通过海水中的氧气来进行自身的氧化降解。这些蓝藻以及多种原核细胞生物在生前不断地进行光合作用产生氧气，又因为大量死亡累积成有机碳库消耗着海水中的氧气，这样一种循环的过程也最终使得整个地球的生态系统含氧量不断降低。

第二次大氧化事件：生物与环境的自适应机制

直到距今5.8亿-5.2亿年前后，地球发生了第二次大氧化事件，随着第二次大氧化事件的发生，大气中的氧气含量增加到现代大气氧气含量的60%以上的水平，大洋也全部氧化，氧气含量的提升带来了多细胞真核生物的大辐射，以及动物的快速起源和寒武纪生命大爆发。

原核生物

生物中的一大类。由原核细胞（没有真正细胞核的细胞）构成的生物，如细菌、病毒、立克次体、螺旋体等。

真核生物

细胞具有细胞核的所有生物的总称。它包括所有动物、植物、真菌和其他具有由膜包裹着的复杂亚细胞结构的生物。

2019年5月6日，由中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员和英国伦敦大学学院Graham Shields教授领衔的中英国际合作团队在《自然一地球科学》上发表论文，证明动物在大约距今5.2亿年前后阶段性的快速辐射演化（寒武纪生命大爆发）是因为受到了大气和海洋中氧气含量的控制。他们认为，第二次氧气大爆发带来了生物的诞生，同时也产生了“生物与环境协同演化模型”。

生物与环境协同演化模型其实是一种生物主动适应环境并与环境进行协同的机制。他们推测，在海水中氧气含量达到原始动物生存的最低需求时，动物就会对海洋中的悬浮物及有机物进行捕捉。它们捕食海水中有机物的行为，让原先海水中消耗氧气的有机物得到了缓解。海水悬浮有机质的减少，加速了海水有机质的消耗和埋藏，最终让海洋和大气中氧气不断增加。这样一种循环机制，形成了动物演化与氧气增加的正反馈机制，让地球的含氧量得到了逐步的提升。

理论上，这种正反馈机制最终将表现为氧气增加的线性加速。然而，在距今5.8亿-5.2亿年前后大气和海洋氧气含量却又产生了多次的上下波动，为什么动物主动适应环境后仍然会产生氧气含量的波动，这还是与奇特的石头——蒸发岩有关。

蒸发岩的加入打破平衡的关键

在《自然一地球科学》发表的最新研究中，朱茂炎等中英合作团队通过分析距今9亿年以来全球海水碳酸盐的碳同位素（δ13C）演变过程中发现，在寒武纪后期，碳含量出现了一种波动，时而大爆发，时而负增长，出现这种原因，是因为地球的运动将大量沉积的蒸发岩输入了海洋。

距今5.7亿年前后，地球上的主要大陆通过拼合形成了一个冈瓦纳超大陆和位于超大陆内部的超级中央造山带，这时候的山体多数是来自具有丰厚碳物质的蒸发岩，蒸发岩富含硫酸盐，能够对海水中的有机物进行氧化，并形成黄铁矿沉入海底。同时，海洋中有机碳的快速氧化，向大气排放大量二氧化碳，进一步导致大气升温，加强了陆地风化作用和蒸发岩向海洋的输入量，海洋中有机碳库进一步被氧化，形成一个海洋氧化的正反馈作用循环系统，使得大气和海洋中的氧气快速增加。

同时，科学家还通过数学推算证明，时至今日，海洋中的蒸发岩仍然对海洋有着十足的氧化作用。这也证明了地球内部运动过程中引起的岩石圈运动是地球表层系统发生革命性改变的原始驱动力。

不仅5亿年前蒸发岩为地球供氧作出贡献，地球也因为氧气大爆发事件产生了寒武纪生命大爆发以及多种生物。从这里可以看出氧气是地球生物赖以生存的基础，也是气候调节作用中最重要的物质。所以保持海水的清澈，珍惜地球的氧气，让森林、植被生活在我们的周围，这样才能避免极端天气的产生，让我们每一天都生活在安全舒适的自然环境中。

（责任编辑：赵梦祺 责任校对：曹伟）

寒武纪生命大爆发

是大约5.42亿年前到5.3亿年前，在地质学上被认为是寒武纪的开始时间，寒武纪地层在2000多万年时间内突然出现门类众多的无脊椎动物化石，而在早期更为古老的地层中，长期以来没有找到其明显的祖先化石的现象，被古生物学家称作“寒武纪生命大爆发”，简称“寒武爆发”