上下波动，神出鬼没，地球大气富氧化之路历经坎坷
回首23亿年氧气浓度波动，地球生命走到今天，竟花光全部运气
23亿年前，地球几乎失去了全部的氧气
一项研究将地球大气中氧气浓度的永久性上升相较于此前的估计推迟了1亿年。
^今天的南极洲冰川。地球早期的增氧事件可能引发了冰川期，届时地球的表面覆盖着大量如图所示的冰川。（图片来源：NASA/迈克尔·斯图林格）
如一项新的研究所示，相较于过去预计中长一亿年的断续进程，使地球永久性的拥有富含氧气的大气。
45亿年前，地球诞生之际，大气层中几乎没有氧气。然而，在24。3亿年前，变化发生了：氧气的含量先是上升，然后下降，伴随着气候的巨变——这其中包括了也许曾经使全球覆盖在冰层之下的数个冰川期。在那个年代被闭锁于岩层中的化学印迹表明，23。2亿年前，氧气曾经长久地存在于地球大气之中。
然而，对距今23。2亿年前的那段时间的最新深入研究探明，直至22。2亿年前，氧气的浓度仍然像悠悠球那般波动，直到地球系统达到一个永久的转折点。研究的结果将科学家们称为“大氧化”的事件所持续的时间延长了一亿年，并且有可能证实大气富氧化与大型气候波动之间的联系。
“我们才刚刚开始看到这项事件的复杂性，”这项研究的共同作者，来自加利福尼亚大学河滨分校的地理学家安德瑞·贝克尔说。
如何稳定氧气浓度
在大氧化事件中产生的氧气来自于蓝细菌，一种能够通过光合作用生产能量的细菌。氧气是光合作用的主要副产品。最终，早期的蓝细菌产生了足以永远改变我们这颗星球的面貌的大量氧气。
这场变化的痕迹被保留在海底沉积岩里。在没有氧气的大气层中，这些岩石将会带有特殊的硫同位素。（同位素：拥有不同数量的中子的元素原子）当氧气出现时，这些硫同位素将会消失，因为产生它们的化学反应不能在含有氧气的环境下发生。
长久以来，贝克尔和他的同事们都在研究这些硫同位素信号出现和消失的情况。他们和其他的研究者注意到，氧气浓度的上升和下降似乎与发生于距今25到22亿年前的三次全球冰川期相关联。然而奇怪的是，第四次，也是那段时间中的最后一次冰川期并没有与大气中氧气浓度的波动重合。
研究者们对此感到困惑，贝克尔向《生活科学》（live science）杂志提到，“为什么我们经历了四次冰川期，其中三次都能与大气氧气浓度关联并由此获得解释，然而它们中的第四次却显得如此孤立？”
为了探寻真相，他们研究了来自南非的更年轻的岩石。这些海底岩石来自于大氧化时代的后期，从第三次冰川期的末尾到距今大约22亿年。
^生物化学家西蒙·博尔顿（左一）正在向钻探所得的沉积岩岩芯喷水，以便选择将要研究的样本。（图片来源：安德瑞·贝克尔/UCR）
他们发现，在第三次冰川期之后的大气层起初并不含有氧气，此后氧气的浓度上升，然后再次下降。氧气浓度于23。2亿年前再度上升——起初科学家们认为那是大气永久富氧化的时间。然而，在更年轻的岩石里，贝克尔和他的同事们再度探测到了氧气浓度的下降。这次降低与最后一次冰川重合，而这次冰川此前并没有被与大气变化关联。
“在那个早期年代里，大气中的氧气十分不稳定，有时浓度上升到极高，有时下滑到极低水平，”贝克尔说，“这是我们不曾预计到的——直到经历了最近四五年【的研究】之后。”
蓝细菌VS火山喷发
研究人员们仍然在寻找这些波动背后的原因，他们已经有了一些头绪。一个重要的因素是甲烷，一种吸热能力比二氧化碳更高的温室气体。
时至今日，相较于二氧化碳，甲烷在全球变暖中扮演一个较为次要的角色。原因在于甲烷会在大约十年之内与氧气反应而从大气中消失，与此同时二氧化碳能保留上百年。然而，在大气中没有或几乎没有氧气的情况下，甲烷能存留更久并且成为更重要的温室气体。
因此，氧化事件与气候变化的次序很有可能是：蓝细菌开始产生氧气，与当时大气中的甲烷反应，最后剩下二氧化碳。这些二氧化碳不足以填补甲烷留下的空缺，因此我们的星球开始降温。冰川开始扩张，地球表面变得寒冷且被冰层覆盖。
将我们的星球从永久的深度冰冻之中拯救的，是冰川下的火山。火山活动将导致二氧化碳浓度剧增，变得足以使地球再次温暖。此时被冰层覆盖的海洋之中，氧气的产生会因为蓝细菌接收到的阳光较少而落后一步。来自火山和微生物的甲烷开始在大气中累积，从而加快了升温的步伐。
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然而源于火山的二氧化碳还有一个主要的功能。当二氧化碳与雨水反应时，其产生的碳酸能比中性的纯雨水更快地溶解岩石。岩石的风化被加快，把磷等营养物质更多地带进海洋中。距今20亿年前，这样的营养物质内流会使产生氧气的海洋蓝细菌达到生产高峰，极大地增加大气中氧气的浓度，降低甲烷的浓度，由此开始新的循环。
最终，另一场地理巨变打断了氧化-冰川循环。这样的规律似乎终结于22亿年前，当时的岩石记录表明更多有机碳物质被掩埋，这意味着光合生物们生活在它们的黄金年代。没有人知道是什么促成了这个转折点。贝克尔和他的同事们假设道，这段时间内的火山活动使大量营养物质流入海洋，为蓝细菌提供了一切生存所需的条件。在那个时间点上，贝克尔说道，氧气的浓度是如此的高，足以使甲烷永世不得翻身，不再能大规模地影响气候。来自火山活动和其他源头的二氧化碳，最终成为了占据统治地位的温室气体，使我们的星球保持温暖。
世界各地有许多来自于同一时代的岩层结构，贝克尔说道，包括西非、北美、巴西、俄罗斯与乌克兰在内。这些古代的岩石需要更多研究，来揭示早期氧化循环的过程，他表示道，尤其是为了理解这些波动如何影响我们这颗星球上的生命。
BY:Stephanie Pappas
FY: 奈亚拉托离谱
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自：https://www.space.com/earth-early-oxygen-fluctuated
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