氧气对于地球上
绝大多数生物来说是必需的
但地球上的氧气并不是与生俱来的
那么在没有氧气的时候
地球上有生命存在吗
这些浮游生物虽然很微小，但却是海洋生命支撑系统关键部分。更为重要的是，通过光合作用，它们每年产生了地球上一半的氧气。
今天我们来研究一下：
氧气从何而来？
第一次大氧化事件造成了什么影响？
离开了氧气生命还能存活吗？
氧气
并不是氧气出现后才诞生了生命，氧气其实是生命的产物。
这是因为氧气的化学性质较为活泼，游离状态的氧很容易就被岩石中的铁以及火山爆发喷出的氢吸收掉。因此，在生命产生的早期，地球上的生物基本上全是 厌氧生物，氧气对它们来说更像是一种是“毒气”。
而现在我们之所以会生活中有氧环境中，主要归功于蓝藻在几十亿年前掀起的那场“氧气革命”。
蓝藻，图源中科院物理所
严格来说蓝藻并不是植物，它是类似于细菌的一种生物，被称为蓝细菌更为合适，蓝藻只是一种习惯的称呼。
我们通常对光合作用的定义是植物利用太阳能，将二氧化碳和水转化为储存能量的有机物，并释放氧气的过程。但其实，光合作用分为产氧光合作用和不产氧的光合作用。
根据迄今发现的最早的化石，地球生命大约出现在34.9亿年前。之后不久，不产氧光合作用出现，而产氧光合作用直到大约24亿年前才出现。
主流观点认为，在24亿年前，蓝藻开始进行产氧光合作用，它们利用水、二氧化碳和阳光制造食物，并在这一过程中产生大量的“有毒”的副产品——氧气。
图源 络
在产氧光合作用出现后的一段时间里，新生成的氧气被岩石中的铁和大气中的氢等元素吸收。但是由于地球上的火山活动暂时性地减少等种种机缘巧合，氧元素渐渐能够以游离的氧气形式存在于大气中。
与此同时，越来越多岩石表面的铁和磷被氧化后，随着雨水冲刷进入了海洋，海水的富营养化进一步促进了蓝藻的繁殖和生长。
这一正反馈使得地球氧气含量急剧增加，大气成分因此而改变，史称 第一次大氧化事件。从大约23亿年前到18.5亿年前，大气中的氧气浓度从0.02%上升到了4%（现在是21%）。
图源蝌蚪五线谱
大氧化事件导致了距今20亿年前生命史上第一次大规模灭绝事件，斯坦福大学研究人员发现，当时地球上高达99.5%的生命消失了。
当时地球海洋是单细胞藻类一统天下，自养的蓝藻在吸收二氧化碳、营养自身的同时不断地释放氧气，结果造成了有氧环境的出现，即大氧化事件。
有氧环境对原本厌氧的原核生命产生了致命的伤害，导致绝大多数生命的灭绝。与6600万年前恐龙从地球上消失那次相比，这次大规模灭绝显然更为惨烈。
但大氧化事件也对自然界和生物界产生了深刻的影响，不仅为我们带来了今天所需的铁矿资源，更是 诞生了真核生命，即需要有氧环境下呼吸和生存的生命，从此开启了通向人类出现的演化征程。
图源 络
科学家对蓝藻的研究
24亿年前，蓝藻就开始进行产氧光合作用，科学家又是如何获知蓝藻的光合作用对海洋和大气的影响呢？目前最普遍的是利用岩石记录的 碳同位素来进行研究。
碳同位素家族有两位重要的家庭成员C12和C13，蓝藻和藻类等生物体产生的有机碳更富集C12，根据碳同位素的分馏行为，这意味着周围海水中无机碳具有更少的C12，换言之，它变得富含C13。
从海洋中去除的有机碳越多，海洋中残留的无机碳C13中就会富集，用同位素来表示即海水δ13C越偏正。
图源 络
但是，进一步分析发现， 碳同位素的正偏和大氧化事件并不是完全对应，Lomagundi同位素偏移发生在大氧化事件之后而不是在大氧化事件期间。因此，科学家不得不寻找其他可能产生大氧化的原因，于是将目光投向大氧化事件之前更古老的地球时期。
太古代时通过有机碳和黄铁矿的埋藏，可能已经产生氧气了，但氧气的含量非常低， 主要是由于产生的氧气会与火山中产生的来自地幔的还原性气体（主要是H2）发生反应而消耗。还原性气体的喷出速度很可能就是限制大氧化产生的原因。
27亿年前地幔对流的变化图，图源中国科普
科学家发现，氢气的喷出速度主要取决于地幔物质的性质，但地幔物质性质在地质历史时期几乎没有大的改变。除此之外，氢气的喷出速度还应取决于地幔的粘性物质运动。
地球从形成之初的大火球逐渐降温，使地球内部冷却，所以地幔粘度变大，运动缓慢，导致氢气释放速率随时间而减少，从而促使大气含氧量的增加。
2020年加州大学Riverside分校Eguchi等提出了新见解：他们用碳循环将海相碳酸岩碳同位素、大气氧含量演变和板块构造演化结合起来， 认为大氧化事件与Lomagundi事件是由深部碳循环和增强的去气作用共同导致的。
图源中国科普
他们推测，距今25亿年，地球逐步转化为板块构造使陆地面积增加，冰期作用导致含水沉积物增大，使板块边界弱化，促进板块俯冲加强，从而导致碳埋藏量增加，促使了蓝藻的繁盛与氧气的不断增多。
有机界和无机界共同推动了地球历史上第一次大氧化事件的形成，从而使地球步入了新的发展阶段，生物界更是拉开了走向复杂生命现象的演化大幕。
生命离开氧气就不能存活了吗
地球上绝大多数生命都离不开氧气，但是最近《自然-天 学》发表的一篇论 表示： 微生物可以在百分之一百的氢气中生存和生长。
科学家们用原核生物中的大肠杆菌和真菌中的酵母来进行了实验，研究发现，简单的单细胞原核生物——大肠杆菌，以及更复杂的单细胞真核生物——酵母都可以在100％氢气气体环境下的液体培养基中生存和繁殖。
酿酒酵母菌株的彩色扫描电子显微照片
图源phys.org
对于生长在100%氢气中的大肠杆菌，最大细胞浓度（每单位体积的细胞数）仅比在空气中生长的大肠杆菌中的浓度小两倍。
如果可用氧气的含量低，大肠杆菌将从有氧呼吸转变为基于无氧呼吸或发酵的低效能量代谢（单位分解有机物产生的能量较小）。
酵母菌在100%氢气中的最大细胞浓度比在空气中显著降低，大概是降低2.5倍，而且繁殖时间是空气中的大约三倍时间。如果生命能在100%氢气的大气中生存，那么它也能在氢气主导的大气中生存。
图源Veer图库
不仅氢气，研究人员还探索了氦气环境下的生命生存状态。结果发现，与氢气环境相比，纯氦气环境的其他控制措施显示出类似的大肠杆菌生长曲线，这说明生命也有可能在氦气环境下生存。
这意味着，我们未来在寻找宜居行星的时候，就可以打破以前的标准，不用再以寻找含氧大气为标准寻找宜居星球了。
转载自｜陕西科普
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