近日，《自然》杂志上发表了最新文章，研究人员对南非特兰斯瓦尔超群组（Transvaal Supergroup）的海相沉积岩进行了详细分析，通过分析岩石中的硫同位素、铊同位素以及钼-铀氧化还原敏感元素，重建了23亿年前的地球早期大气和海洋氧气含量的“联动”“波动”变化，为我们理解地球早期生命演化过程提供了新的线索。
图1 南非EBA-2钻孔的地球化学特征。波动S-MIF (Δ33S)信号，捕捉到了约2.32至2.22 Ga期间大气O2的波动情况。较高的FeHR/FeT比值和总有机碳(TOC)丰度表明，这些沉积岩沉积于缺氧水柱之下；较低的数值则表明其形成于富氧水柱之下。所有数据点均根据各自Fe形态数据所反映的局部氧化还原条件进行了着色（见图例）。新的Mo和U富集因子(EF)数据支持了这些局部氧化还原条件的推断。氧化还原敏感元素(RSE)数据结合ε205TlA数据，为了解大氧化事件(GOE)期间的海洋氧化还原条件提供了新的信息。下图中的沉积年龄基于页岩铼-锇年代学。
地球早期大气中缺乏氧气，这一点可以通过硫同位素的“质量无关分馏” (S-MIF) 现象来判断。S-MIF 现象指的是在无氧条件下，硫同位素的轻重同位素比率会呈现出与质量无关的异常分馏，但当大气中出现氧气时，这一现象会逐渐消失。
早期的研究结果显示，S-MIF 现象在约23亿年前突然消失，被认为是地球大气快速氧化的标志。然而，最近的研究发现，在特兰斯瓦尔超群组的沉积岩中，S-MIF 现象出现了多次消失和再现，表明地球早期大气氧气含量可能经历了多次波动，而不是一次性快速上升。
图2 本研究中所关注的古元古代页岩与更古老的、有早期氧气含量短暂上升迹象的太古代页岩的地球化学对比。
除了大气氧气含量，本文还关注了海洋氧气含量的变化。研究人员利用铊同位素作为海洋氧气含量的“指纹”。铊是一种重金属元素，其同位素组成会受到海洋中锰氧化物的沉积影响。在氧气充足的海水中，锰会以氧化物的形式沉积，并优先吸附较轻的铊同位素，导致沉积物中的铊同位素组成偏向较轻的同位素。
研究人员发现，在特兰斯瓦尔超群组的沉积岩中，铊同位素的组成与硫同位素的组成之间存在着密切的联系。当硫同位素数据显示大气氧气含量增加时，铊同位素数据也显示出海洋中锰氧化物沉积增加，表明海水氧气含量也随之增加。反之，当硫同位素数据显示大气氧气含量下降时，铊同位素数据也显示出海洋中锰氧化物沉积减少，表明海水氧气含量也随之减少。
图3 大氧化事件期间，由于氧合作用的波动，假设的海水中溶解态Mn(II)储库和海底锰氧化物埋藏变化的概念示意图。同时也包括了对沉积物中硫和铊同位素趋势的影响。
研究人员还分析了沉积物中的钼和铀含量。钼和铀是氧化还原敏感元素，它们在氧气充足的环境中会以可溶形式存在，而在缺氧环境中则会沉积下来。研究人员发现，当铊同位素数据显示海洋氧气含量增加时，钼和铀的含量也随之增加，进一步佐证了海洋氧气含量变化。
这项研究首次将地球早期大气的氧气含量变化与海洋氧气含量的变化联系起来，表明在23亿年前，海洋和大气之间存在着“联动”关系。这一发现挑战了以往认为地球早期氧气含量变化是孤立事件的观点，也为我们理解地球早期生命演化过程提供了新的线索。
地球早期氧气含量波动可能对早期生命的演化过程产生重大影响。氧气是一种强氧化剂，它可以破坏细胞结构，对于一些厌氧生物来说是致命的。然而，氧气也是一些生物进行呼吸作用的必需物质。研究人员认为，地球早期氧气含量波动可能促进了生物适应和演化的过程，最终导致了更复杂生命的出现。
论文信息：Ostrander, C.M., Heard, A.W., Shu, Y. et al. Onset of coupled atmosphere–ocean oxygenation 2.3 billion years ago. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07551-5
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