讓地球氧氣在5億年前猛增的神秘力量找到了

氧氣是人類和動(dòng)物賴以生存的基礎(chǔ)。但是，遠(yuǎn)古時(shí)期的地球曾極度缺氧，是一片不折不扣的生命禁區(qū)。

然而，到了距今5．8—5．2億年左右，地球氧氣卻猛地增加了。似乎有一種神秘力量在左右著地球氧氣含量的平衡點(diǎn)。多年來，科學(xué)家一直在尋找那股神秘力量。它究竟是什么？又是如何發(fā)揮作用的？

9月2日，這個(gè)謎底終于揭開了：中英兩國(guó)科學(xué)家在《自然—地球科學(xué)》發(fā)表論文，認(rèn)為聲勢(shì)浩大的造山運(yùn)動(dòng)將大量蒸發(fā)巖輸入海洋，蒸發(fā)巖作為一種氧化劑，使得大氣和海洋中的氧氣快速增加，為大型復(fù)雜多細(xì)胞生物的快速演化提供了基礎(chǔ)。

兩次事件讓地球快速“氧化”

46億歲“高齡”的地球，曾是一個(gè)毫無生機(jī)的星球，空氣中幾乎沒有氧氣?？諝庵械难醴肿舆€不到現(xiàn)在大氣氧含量的 0．001％。

荒蕪了二十多億年后，在距今約24億年前，終于發(fā)生了第一次增氧事件。大氣含氧量達(dá)到現(xiàn)代大氣含氧量1％的水平，真核生物在地球上首次出現(xiàn)。此時(shí)，一些低等的藻類植物進(jìn)行光合作用，但產(chǎn)生的氧氣一直被大氣中的還原性氣體通過氧化作用消耗掉。

“這是著名的‘大氧化事件’。它指在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)，大氣氧含量顯著上升的過程?！敝袊?guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員朱茂炎告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

但隨后十幾億年里，大氣氧含量卻沒有增加，阻礙了多細(xì)胞真核生物的演化。目前學(xué)界認(rèn)為，前寒武紀(jì)海洋中進(jìn)行光合作用的主要是細(xì)菌、藍(lán)藻等微生物。它們死亡后的有機(jī)質(zhì)在海水中不斷積累，大量消耗海水中的氧氣，從而導(dǎo)致缺氧。

“也就是說，前寒武紀(jì)海洋中存在一個(gè)巨大有機(jī)碳庫(kù)，阻止了氧含量的增加?！敝烀渍f，這種缺氧的海洋類似于現(xiàn)在的巨大沼澤池，水中大量腐殖的有機(jī)質(zhì)不斷消耗著氧氣。因此，水質(zhì)渾濁并缺氧。

直到距今5．8億—5．2億年前后，地球發(fā)生第二次大氧化事件，大氣中的氧含量增加到現(xiàn)代大氣氧含量的60％以上的水平，大洋也全部氧化，導(dǎo)致多細(xì)胞真核生物大輻射，以及動(dòng)物快速起源和寒武紀(jì)大爆發(fā)。

經(jīng)過2次大氣快速增氧事件，地球才有了占據(jù)現(xiàn)代大氣含量21％ 的氧氣，為動(dòng)物的出現(xiàn)和發(fā)展提供了環(huán)境基礎(chǔ)。

蒸發(fā)巖成為海洋氧化劑

從渾濁缺氧到清澈富氧，前寒武紀(jì)的海洋如同化繭成蝶，究竟是什么原因?qū)е逻@一巨變呢？

此前，流行的假說是“生物與環(huán)境協(xié)同演化模型”。這個(gè)模型提出的正反饋機(jī)制表現(xiàn)為氧氣增加的線性加速，這與距今5．8—5．2億年左右大氣和海洋氧氣含量多次大規(guī)模波動(dòng)，生物發(fā)生階段性輻射演化的實(shí)際情況卻是不一致的。

朱茂炎帶領(lǐng)的中英合作團(tuán)隊(duì)耗時(shí)數(shù)年，對(duì)距今5．8億到5．2億年前后的地質(zhì)層和生命演化做了進(jìn)一步的觀察和研究，對(duì)地層中的碳同位素進(jìn)行對(duì)比分析，提出了一個(gè)新的地球系統(tǒng)模型，對(duì)這一時(shí)期地球氧氣迅速增加的原因給出了新的見解。

他們認(rèn)為，距今5．7億年前后，地球上的主要大陸通過拼合形成了一個(gè)岡瓦納超大陸和位于超大陸內(nèi)部的超級(jí)中央造山帶，將8億年前后大量沉積的蒸發(fā)巖礦物風(fēng)化剝蝕輸入海洋。據(jù)介紹，造山帶往往形成相對(duì)隆起的山脈，風(fēng)化能力和往海洋輸送物質(zhì)的能力都會(huì)明顯加強(qiáng)。恰是此時(shí)，即距今8億年前后，地球上沉積了很厚的蒸發(fā)巖。

“富含硫酸鹽的蒸發(fā)巖是一種氧化劑，可以氧化海水中的有機(jī)質(zhì)?！敝烀赘嬖V記者，通過硫酸鹽還原菌對(duì)海水中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行氧化，形成黃鐵礦埋藏在沉積物中，導(dǎo)致當(dāng)時(shí)海洋中有機(jī)碳庫(kù)快速減少。

同時(shí)，海洋中有機(jī)碳的快速氧化，向大氣排放大量二氧化碳，進(jìn)一步導(dǎo)致大氣升溫，加強(qiáng)了陸地風(fēng)化作用和蒸發(fā)巖向海洋的輸入量，海洋中有機(jī)碳庫(kù)進(jìn)一步被氧化，使得大氣和海洋中的氧氣快速增加。

從此，產(chǎn)生的氧氣開始凈增。地球上的氧氣建立起了新的平衡，而這個(gè)平衡一直維持到現(xiàn)在。

這個(gè)新的模型與該時(shí)期生物的階段輻射演化模型更加契合。新模型不僅驗(yàn)證了前寒武紀(jì)海洋中巨大有機(jī)碳庫(kù)存在的假說，還為海洋中巨大有機(jī)碳庫(kù)的變化控制著前寒武紀(jì)末期地球多次大規(guī)模冰期發(fā)生的假說提供了支撐。因?yàn)楹Ｑ笾芯薮笥袡C(jī)碳庫(kù)如果不被氧化，大氣中的二氧化碳就會(huì)不斷降低，氣候就會(huì)變得越來越冷。而構(gòu)造驅(qū)動(dòng)的海洋有機(jī)碳庫(kù)的氧化，向大氣中排放大量二氧化碳，氣候就變得越來越暖。正是由于海洋的氧化，海洋中有機(jī)碳庫(kù)變小，它作為氣候的調(diào)節(jié)器作用也就減弱，寒武紀(jì)之后的地球再也沒有發(fā)生過類似前寒武紀(jì)的“雪球地球”那樣的極端冰期氣候事件。