地球氧气进化史,生产过程耗费40亿年时间,10亿年后有变数

人类能活到现在,氧气是最大的功臣。没有氧气,或许不会有人类的出现,而无氧生物或将代替成为新的主流。今天,大约21%的地球大气是由氧气组成的,但是你知道这21%的氧气地球是怎么生产出来的吗?又是花了多少时间打造出来的呢?

地球氧气进化史,生产过程耗费40亿年时间,10亿年后有变数

地球氧气进化史初

实际上,我们星球的大气层经过一段时间才发展到目前的可呼吸状态。大约46亿年前,最早的混合气体在我们正在变冷的星球周围形成了一层厚层,这与火山释放的甲烷、硫化氢和二氧化碳没什么区别。

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这是一个充满暴力的时代,不仅地球的内脏在剧烈地搅动着挥发性物质,来自太阳系内部的冷岩石的持续轰击也为地球提供了源源不断的新鲜物质。更大的碰撞偶尔会重新加热表面,蒸发掉所有收集的水分,确保大气仍然是一团热气。然而,从天空源源不断地流下的矿物质也以氨的形式提供了大量的氮。

氧气是什么时候出现在地球大气中的?

氧气到底是什么出现的?关于这个问题还有很多细节我们还不知道。例如,早期的矿质雨为地球提供了多少氮元素,我们并不完全确定。但大约在43亿年前,地球上地狱般的环境终于开始变冷,太空岩石的泛滥也减缓了。

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水体聚集在一起的时间足够长,足以发生各种地球化学反应,这可能是生物化学反应的前体,从而使地球大气层变得越来越厚,而这时候的地球大气主要由二氧化碳和氮组成。虽然火山活动可能偶尔会“吹”出氧气,但它很快就发生了反应,使得这颗行星在最初10亿年左右的时间里基本上没有氧气,而真正使得氧气发生大量聚集的转折点是大氧化事件。

什么是大氧化事件?

地球在生物学上的最早尝试是将一组分子的能量聚集在一起,并将其重新用于制造有机材料。在早期的某个时刻,也许在地球形成的数亿年里,人们偶然发现了一种从某些化学物质中吸收阳光提供的能量的机制。

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虽然严格来说这是光合作用,但它不是那种会留下过量氧气的光合作用。这种“含氧”的光合作用,可以追溯到30亿年前。这种被称为光系统II的生物机械为原始微生物提供了动力,使它们能够将二氧化碳和水重新组合成它们所需要的组成部分,并提供充足的能量。

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尽管几亿年来,氧气一直在这个星球的海洋中打嗝,但大气却几乎没有变化。一种可能的解释是,这种令人惊讶的缺氧现象是流星划过天空的细雨,留下挥发性气体,这些气体很容易与微量的分子氧发生反应。无论缓慢积累的原因是什么,大约24亿年前,少量的氧气最终聚集到一个显著的水平,导致了被称为大氧化事件。

氧气对地球上的生命有益吗?

这种突然过剩的氧气对地球生物圈产生了什么样的影响,这一点令人惊讶地很难说。理论上,氧是一种非常活泼的元素。即使在今天,我们也有专门的酶来处理游离氧造成的伤害,而游离氧会导致更精细的有机分子,比如DNA。所以很容易想象,如果没有适应氧气的能力,早期的生物就会大量死亡。

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实际上科学家发现中间氧气的消失完全有可能发生了一场灾难性的灭绝。对封存在20亿年矿物中的同位素的研究表明,当碳被封存在无数受苦的微生物的微小体内时,氧气浓度下降了。然而,解读这个古老的记录并不十分简单,其他研究则对这一假设提出了质疑,认为氧气含量的下降可能不是由于任何重大的生命损失。到大约6亿年前,我们大气中氧分子的浓度终于达到了21%左右,这个时间花费了大约40亿年的时间。

这一历史时期正好与生物复杂性的出现相吻合,很难说在多大程度上,氧气起到了作用,而不是从冰川覆盖的全球表面释放出的大量营养物质。一方面,氧气是今天从碳氢化合物中释放大量能量的不可或缺的手段。现代多细胞生物的完美燃料!另一方面,氧化作用和第一个复杂生物体的精确顺序是有争议的,这使得这种关系有点复杂。

地球会失去氧气吗?

人类依赖氧气才能存活,只要阳光灿烂,植物开花,光合作用持续,似乎我们的星球的大气中永远都有相当数量的氧气。但这种平衡不是永久性的。

大约10亿年后,太阳辐射将强大到足以撕裂二氧化碳。如果没有这种气体,光合作用就会停止,氧气就会下降到数十亿年前最早期所未见的水平,而人类是否存在还是一个未知数。

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投稿时间:2022-01-17  最后更新:2022-04-30

标签:氧气   地球   进化史   光合作用   生产过程   年时   变数   星球   气体   大气   能量   年后   年前   生物   时间

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