地球上的氧气是逐步增加，而非大爆炸式增长
地球上的氧气是逐步增加，而非大爆炸式增长Original
博科园 科学科普
天文物理
2 days ago
在纳米比亚东北部新元古代哈滕伯格组的碳酸盐岩中发现了一个碳循环异常，其模式类似于在大氧化事件后发现的模式，这暗示了地球大气如何完全氧化的新证据。威斯康辛-麦迪逊大学美国国家航空航天局天体生物学研究所崔欢博士领导的一个研究小组利用哈滕伯格形成于10亿到5亿年前的地层，研究了地球从缺氧环境(即缺乏氧气)到更适宜动物生存的环境之间的变化，发现了持续的高碳含量。碳的流入，再加上其他元素变化，表明海洋中氧含量变化是如何帮助早期动物进化的。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OOCfia0dzt0WWGPGcibghz0K4apttJLQ1Ngw9lvRXFlkTlDLEs7M8uYQKItUh5LfeGZUvgS5cQ3JxqtZibP53libSw/640?wx_fmt=jpeg
含氧地球对于复杂生命的进化至关重要。图片：NASA
这项研究发表在《前寒武纪研究》(pre - cambrian Research)上，将新的氧、硫和锶同位素数据与2009年发表的碳同位素数据进行了配对。总之，这些数据进一步证明了地球氧气是逐步增加的，而不是局限于元古代的两个主要事件(一个持续了25亿到5.41亿年前的地质时代)。氧化还原反应(即通过电子交换进行氧化和还原反应的反应)的变化模式被命名为哈滕伯格异常，是在岩石形成中被发现。马里兰大学的艾伦·j·考夫曼博士说：在这50至75万年之间的时间里，氧气上升是在哈滕贝格异常的75万年间的时间间隔里，是在原生生代末期的新元古代氧化事件或NOE中这一反常现象，碳同位素比率(13C/12C)在恢复到以前的低水平之前，在大约1500万年的时间里，碳同位素比率(13C/12C)以千分之12到千分之14的速度持续增加。随着海洋中氧气含量的增加，硫酸盐被转化为硫酸盐，一些微生物在新陈代谢过程中利用硫酸盐来消化和循环海底的有机碳。在哈滕伯格异常过程中，氧、碳和硫的同位素连续移动，使科学家相信他们所看到的不仅仅是巧合。
剧烈波动
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尽管长期以来人们都认为，大气中的高氧含量为动物在地球上繁衍生息铺平了道路，但在元古代，全球碳和氧循环剧烈波动，从大约24亿年前的“大氧化事件”(GOE)期间首次在大气中积累氧气到大约5亿年前动物在NOE之后登上世界舞台时稳定在现代水平。在这两个事件之间的时间，单细胞生命的脉冲和海洋中不断变化的氧气水平被认为刺激了更复杂生命的进化。这些古老的氧气波动是前寒武纪-寒武纪边界多细胞生物进化的关键，标志着地球上复杂动物生命的起源和多样化。
随着海洋中含氧量的增加，生命有机会朝着氧气稳定、高含量的未来发展。哈滕伯格异常代表了一扇这样的生命之窗。考夫曼比较了氧的跳跃和另一个氧绿洲，洛玛贡迪事件后不久。洛玛贡迪事件被描述为一个错误的开始，当时氧气浓度上升到可以维持一些生命的水平，然后再次下降。直到没有氧气，氧气才会上升到今天的水平。这是新元古代的一种同位素异常，与NOE有广泛的时间联系，但其起伏结构与GOE非常相似。
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元古宙的两端都有大陆裂谷、冰期和剧烈的碳涨落；就像GOE可能负责简单真核生物的进化一样，NOE也参与了多细胞生物的进化。因此GOE引入了真核生物，真核生物是一种微生物，其细胞中含有一层膜包裹的细胞核，而NOE引入了更为复杂的动物。这些地球历史上的特殊事件，每个都孕育着一个进化试验池，孕育着新的生命形式。哈滕伯格异常是如何与这些事件相适应的，或者它究竟会产生怎样的进化结果，仍有待观察。
临时适居性
在GOE和NOE之间的这段时间里，在一个几乎不适宜居住的星球上，可以居住的小区域或气泡会突然出现，但雷达上的这些光点是可逆的。冰盖的移动或没有侵蚀会减少光合作用所需的氮和磷等元素，导致氧和碳的特征消失。临界点出现在寒武纪，那时地球一直处于充氧状态。我们今天也看到了类似的异常现象；在大多数氧气充足的大气中，仍然有缺氧的环境，在那里生命挣扎着生存或采取另一种进化途径：
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内海、地下洞穴和海洋死亡区，在那里硫酸盐或硝酸盐呼吸者持续存在，而世界其他地方呼吸着氧气。现代地球仍然存在缺氧环境，如果你去黑海，仍然可以在现代海洋中找到当地的缺氧环境。在这项研究中，异常是氧。今天的异常是缺氧。在对纳米比亚其他地区的岩石进行了深入研究的同时，包含哈滕伯格异常现象的岩层在许多剖面上都被侵蚀掉了，这使得关键的数据片段丢失了几十年。
再看一看
科罗拉多学院(Colorado College)的地质学教授保罗·麦罗(Paul Myrow)博士说：每一项同位素研究都必须考虑到，分析氧的上升是否受到限制，是否在整个古代海洋或不同的古代大陆广泛传播。我们能得到这个答案的方法之一是看看哈滕伯格异常的信号是否能与世界各地相匹配，如果这种转变同时发生在不同的大洲，那么我们就能对全球化更有信心。当地球的海洋化学、构造板块和居民处于如此不平衡的状态时：
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以今天的标准来看，地球的低氧和不稳定的大气可能被认为是非常危险的。随着地球的变化，青少年时期的尴尬表现为恶臭、硫磺坑、多毛的生活环境、住宿环境的喜怒无常以及对共同居住者的不敬。哈滕伯格异常现象是向地球迈出的一小步，它使地球的脏衣服变干，清理干净，并为后来进化的生命形式变得可接受。这项研究部分是由NASA天体生物学通过外太空生物学和进化生物学项目支持。
博科园-科学科普｜文：Emily Moskal/Space
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