氧氣曾給地球帶來了巨大的災難,大氧化事件背後隱藏的秘密

2020年06月15日19:30:20 科學 1343

氧氣對我們有多重要?包括人類在內的幾乎所有生物都需要氧氣才能生存。我們不吃不喝也許能撐一個星期,但是如果沒有氧氣,大概超不過5分鐘。

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也許你不知道,40億年前,當生命第一次出現在地球上的時候,它們是不需要氧氣的,而且,氧氣對它們來說,是不折不扣的毒氣。

氧氣是如何出現的,生命又是如何變得依賴氧氣的呢?我們這次講一下生命發展歷史上的一個重大事件,大氧化事件。大氧化事件導致地球大氣中的氧氣含量迅速上升,同時地球上佔主導地位的生命體,從厭氧生物轉變成了好氧生物。

實際上大氧化事件在歷史上發生了兩次,第一次可以說是氧氣從無到有的過程,而第二次則是氧氣含量突飛猛進的過程。每一次都產生比原有生物大100萬倍的新生物體。

今天呢,我們重點看一看第一次大氧化事件。

大約40億年前,生命在地球上出現了。當時是什麼樣的環境呢,按現在的標準來說,簡直就是地獄。持續不斷的火山爆發,頻繁遭受地外天體碰撞,原始海洋不斷地形成又蒸發,空氣中充滿了二氧化碳、氮氣,甲烷、硫化氫、水蒸氣、以及少量氫氣。

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這個時候完全沒有遊離氧氣,生命就是在這樣的條件下產生了,它們不需要氧氣就能夠生存。這些生命,我們把它們稱為原核生物,跟今天的大多數生物 – 真核生物 – 相比,它們沒有細胞核,更簡單,更原始,它們利用能量的效率也比真核生物低很多。

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然而到了大約24億年前,空氣中的氧氣含量開始增加,從約0.02%增加到了約2~4%,整個過程持續了大約6億年。今天空氣中的氧氣含量是21%。大氧化事件以後,氧氣含量其實也不高,只有現在的1/10,但是就是這麼一點點的氧氣,造成了翻天覆地的變化。導致了當時幾乎所有的厭氧生物死亡,倖存的生物發展出了抵抗和利用氧氣的能力,不斷壯大,直到形成今天的世界。

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氧氣的產生原因比較明確,當時出現了一種產生能夠通過光合作用給自己提供能量的生物,它在光合作用的同時會釋放出氧氣,這種生物就是藍細菌。

但是根據化石的研究,藍細菌在大氧化事件之前,也就是大約27億年前就已經出現了,中間隔了整整3億年,那麼為什麼這麼長的時間裡氧氣含量沒有增加呢?這些生產出來的氧氣都去了哪裡?一定是某種原因阻止了氧氣含量的上升。

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藍細菌

科學家經過幾十年的研究,發現火山爆發在這當中起了關鍵的作用。

從27億年前開始,地球逐漸冷卻,火山爆發減弱了,由火山爆發釋放出的鎳開始下降了。鎳有什麼用呢,它在一種專門破壞氧氣的細菌中起關鍵作用。這種細菌叫產甲烷菌。產甲烷菌和藍細菌都生活在原始海洋中,它們是競爭關係,並且產甲烷菌一直是佔據優勢的。藍細菌製造氧氣,產甲烷菌製造甲烷,結果甲烷遇到氧氣,生成了二氧化碳,氧氣消失了。

產甲烷菌是嚴重依賴鎳來生存的,用來產生甲烷的一種代謝酶需要鎳。一旦鎳開始減少,產甲烷菌就要死掉,然後甲烷產量減少,氧氣破壞減少,生產氧氣的微生物增多,最後結果是氧氣含量上升。

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史密斯甲烷菌

這還沒結束,由於甲烷是一種溫室氣體,它的溫室效應是二氧化碳的23倍。甲烷減少,導致溫室效應降低,地球溫度下降,因此伴隨着大氧化事件出現了另一個地質事件:休倫冰期,時間長達3億年。

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在鎳缺乏和低溫的雙重打擊下,厭氧生物幾乎全部滅絕。

另外,一個最新的研究發現,火山噴發會把大量的地球內部的物質噴射到地球表面上來,比如說熔岩、岩石和氣體。因為一直處在缺氧環境下,所以這些岩石、氣體都是還原態的,它們都非常容易和氧氣結合。頻繁地火山爆發不斷地補充還原物質來消耗氧氣。

隨着地球逐漸冷卻,火山活動減弱,還原物質釋放逐漸減少,到距今約24億年的時候終於到達了臨界點,氧氣最終佔了上風,開始逐漸在大氣中聚集。

所以,大氧化事件,是整個地球生命演化的一個轉折點。從這時起,幸運的真核生物開始佔據主導地位,直到今天。

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