地质学家正在寻找地球第一次呼吸的时间

很久以前，地球与我们的家园截然不同。一块名为罗迪尼亚的超级大陆正在分裂成碎片，这些碎片有着一些似曾相识的名字，如劳伦大陆、波罗的大陆和冈瓦纳大陆。有一段时间，整个地球都被冰层覆盖。生命在这个急剧变化的世界上勉强生存下来。

所有这些都来自我们星球历史的一个篇章，今天的科学家称之为新元古代，它持续了大约 10 亿年至 5.4 亿年前。石质书页中记载的漫长岁月是我们今天世界的遥远前奏：那时第一批动物开始活跃起来，从远古海洋中的原生生物进化而来。

就像今天的人类和其他动物一样，这些古老的祖先需要氧气才能生存。但氧气从何而来，何时而来？我们仍然没有确切的答案。但专家们已经绘制了一幅模糊的快照，展示了新元古代氧气是如何形成的，今天发表在《科学进展》杂志上。这幅图景坎坷不平，充满了氧气进入大气层然后再次消失的时期，如此反复，循环往复，持续了数千万年。

要追溯那么久远的过去，你必须抛弃许多我们认为理所当然的现代世界观。“随着时间的流逝，地球变得越来越陌生，”英国伦敦大学学院的地质学家、论文作者之一亚历山大·克劳斯 (Alexander Krause) 说。

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事实上，地球形成后，其早期大气层是由火山喷发产生的各种气体组成的。数十亿年来，这些气体将我们的星球笼罩在有毒的甲烷、硫化氢、二氧化碳和水蒸气的混合体中。

随着时间的推移，情况会发生变化。我们知道，大约 23 亿年前，一种名为蓝藻的微生物通过光合作用创造了大量氧气。科学家们创造性地将这些气体的首次出现称为“大氧化事件”。但尽管这个名字很宏大，但这一事件最多只将大气中的氧气含量提升到了如今水平的一小部分。

从那时到现在发生了什么仍是一个模糊的问题。许多专家认为，大约 4 亿年前的古生代曾发生过另一次氧化事件，当时动物刚刚开始从海洋爬上陆地。另一派，包括这项新研究的作者，认为在大约 7 亿年前的新元古代曾发生过第三次氧化事件。但没有人确切知道氧气是随着时间的推移逐渐增加，还是剧烈波动。

地质学家必须了解这一点，因为大气中的氧气几乎参与了地球表面的每一个过程。即使早期生命大多生活在海里，海洋上层和大气中也会不断交换气体。

为了了解更多信息，克劳斯和他的同事模拟了从 15 亿年前到今天的大气，以及空气中的氧气水平在这段时间内如何波动。虽然他们没有技术来嗅出十亿年前的空气，但地质学家可以利用一些指纹来重建古代大气可能的样子。通过探测那个时代的沉积岩，他们能够测量其中的碳和硫同位素，这些同位素依赖于大气中的氧气来形成。

此外，随着地球板块的移动，深埋在地幔中的氧气会通过构造脱气过程浮出水面并上升到空气中。利用相关时代的构造活动信息，克劳斯和他的同事先前估算了随时间推移的脱气历史。

通过将这些零碎的证据放在一起，该团队得出了迄今为止空气中氧气含量如何波动的预测。这并不是科学家第一次尝试建立这样的模型，但据克劳斯说，这是第一次有人在十亿年的时间尺度上尝试这样做。克劳斯说：“其他人只重建了几千万年的时间尺度。”

他和同事发现，地球大气中的氧气含量并非一直呈直线上升。相反，我们可以把它想象成氧气过山车。在大约 1 亿年的时间里，氧气含量上升到现代水平的 50% 左右，然后又急剧下降。仅在新元古代就出现了五个这样的峰值。

直到 5.4 亿年前的古生代，大气才真正开始充满氧气。最后，在近 3.5 亿年前，氧气含量达到接近当今水平。这一增长与生命多样性的大爆发（即寒武纪生命大爆发）相吻合。自那时起，尽管氧气含量一直在波动，但从未低于目前的 60% 左右。

“这是一篇有趣的论文，”蒙特利尔麦吉尔大学的地质学家马克斯韦尔·莱希特（Maxwell Lechte）表示，他没有参与这项研究。“这可能是过去 10 年左右地球遥远历史研究中最大的争议点之一。”

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但值得注意的是，用于模拟的数据集并不完整。“还有很多岩石尚未被研究过，”莱希特说。“随着更多研究的出现，他们可能会更新模型，这可能会显著改变输出结果。”

那么，显而易见的问题是，氧气趋势如何对生命进化产生连锁反应。毕竟，正是在第三次可能的氧化事件中，原生生物开始多样化，并分化成最早的动物——需要氧气才能生存的多细胞生物。古生物学家发现了大量可追溯到该时代末期的化石，其中包括一块有争议的 8.9 亿年前的海绵。

这些动物可能在氧气含量足够高的时期发展壮大，比如盛行的寒武纪生命大爆发。与此同时，氧气含量的下降可能与大规模死亡同时发生。

天文学家可能也会注意到这项研究。任何有关氧化作用的答案都对我们在遥远的类地系外行星上可能发现的东西有着重大影响。如果这些地质学家是正确的，那么这就证明了地球的历史并不是线性的，而是崎岖不平、扭曲的，有时甚至是剧烈的。“这篇论文处理的这些问题代表了我们对地球实际运行方式的理解的一个根本空白，”莱希特说。