氧气曾给地球带来了巨大的灾难,大氧化事件背后隐藏的秘密

2020年06月15日19:30:20 科学 1343

氧气对我们有多重要?包括人类在内的几乎所有生物都需要氧气才能生存。我们不吃不喝也许能撑一个星期,但是如果没有氧气,大概超不过5分钟。

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也许你不知道,40亿年前,当生命第一次出现在地球上的时候,它们是不需要氧气的,而且,氧气对它们来说,是不折不扣的毒气。

氧气是如何出现的,生命又是如何变得依赖氧气的呢?我们这次讲一下生命发展历史上的一个重大事件,大氧化事件。大氧化事件导致地球大气中的氧气含量迅速上升,同时地球上占主导地位的生命体,从厌氧生物转变成了好氧生物。

实际上大氧化事件在历史上发生了两次,第一次可以说是氧气从无到有的过程,而第二次则是氧气含量突飞猛进的过程。每一次都产生比原有生物大100万倍的新生物体。

今天呢,我们重点看一看第一次大氧化事件。

大约40亿年前,生命在地球上出现了。当时是什么样的环境呢,按现在的标准来说,简直就是地狱。持续不断的火山爆发,频繁遭受地外天体碰撞,原始海洋不断地形成又蒸发,空气中充满了二氧化碳、氮气,甲烷、硫化氢、水蒸气、以及少量氢气。

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这个时候完全没有游离氧气,生命就是在这样的条件下产生了,它们不需要氧气就能够生存。这些生命,我们把它们称为原核生物,跟今天的大多数生物 – 真核生物 – 相比,它们没有细胞核,更简单,更原始,它们利用能量的效率也比真核生物低很多。

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然而到了大约24亿年前,空气中的氧气含量开始增加,从约0.02%增加到了约2~4%,整个过程持续了大约6亿年。今天空气中的氧气含量是21%。大氧化事件以后,氧气含量其实也不高,只有现在的1/10,但是就是这么一点点的氧气,造成了翻天覆地的变化。导致了当时几乎所有的厌氧生物死亡,幸存的生物发展出了抵抗和利用氧气的能力,不断壮大,直到形成今天的世界。

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氧气的产生原因比较明确,当时出现了一种产生能够通过光合作用给自己提供能量的生物,它在光合作用的同时会释放出氧气,这种生物就是蓝细菌。

但是根据化石的研究,蓝细菌在大氧化事件之前,也就是大约27亿年前就已经出现了,中间隔了整整3亿年,那么为什么这么长的时间里氧气含量没有增加呢?这些生产出来的氧气都去了哪里?一定是某种原因阻止了氧气含量的上升。

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蓝细菌

科学家经过几十年的研究,发现火山爆发在这当中起了关键的作用。

从27亿年前开始,地球逐渐冷却,火山爆发减弱了,由火山爆发释放出的镍开始下降了。镍有什么用呢,它在一种专门破坏氧气的细菌中起关键作用。这种细菌叫产甲烷菌。产甲烷菌和蓝细菌都生活在原始海洋中,它们是竞争关系,并且产甲烷菌一直是占据优势的。蓝细菌制造氧气,产甲烷菌制造甲烷,结果甲烷遇到氧气,生成了二氧化碳,氧气消失了。

产甲烷菌是严重依赖镍来生存的,用来产生甲烷的一种代谢酶需要镍。一旦镍开始减少,产甲烷菌就要死掉,然后甲烷产量减少,氧气破坏减少,生产氧气的微生物增多,最后结果是氧气含量上升。

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史密斯甲烷菌

这还没结束,由于甲烷是一种温室气体,它的温室效应是二氧化碳的23倍。甲烷减少,导致温室效应降低,地球温度下降,因此伴随着大氧化事件出现了另一个地质事件:休伦冰期,时间长达3亿年。

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在镍缺乏和低温的双重打击下,厌氧生物几乎全部灭绝。

另外,一个最新的研究发现,火山喷发会把大量的地球内部的物质喷射到地球表面上来,比如说熔岩、岩石和气体。因为一直处在缺氧环境下,所以这些岩石、气体都是还原态的,它们都非常容易和氧气结合。频繁地火山爆发不断地补充还原物质来消耗氧气。

随着地球逐渐冷却,火山活动减弱,还原物质释放逐渐减少,到距今约24亿年的时候终于到达了临界点,氧气最终占了上风,开始逐渐在大气中聚集。

所以,大氧化事件,是整个地球生命演化的一个转折点。从这时起,幸运的真核生物开始占据主导地位,直到今天。

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