地球的初始氣體環(huán)境
雖然如今地球的大氣環(huán)境是我們熟知的氮氣、氧氣和二氧化碳等氣體，但在地球形成之初，地球的大氣環(huán)境與現(xiàn)在大不相同。
約46億年前，地球形成之初，其最初的大氣層主要由太陽星云中的氫和氦構(gòu)成，但很快就因地球引力不足和強烈的太陽風(fēng)而散逸。而在地球形成后的前20多億年，即冥古宙和太古宙時期，又是一個完全不同的世界。當(dāng)時的大氣主要由火山噴發(fā)釋放的二氧化碳、甲烷、氫氣等還原性氣體組成，游離氧極度稀缺。這一時期的海洋中富含溶解的亞鐵離子(Fe²⁺)，它們與海水中的硅質(zhì)、碳酸鹽等物質(zhì)結(jié)合，形成了層層疊疊的條帶狀鐵建造(Banded Iron Formations，BIF)——這種特殊的沉積巖成為了當(dāng)時地球無氧環(huán)境的“地質(zhì)名片”。
盡管早在35億年前，地球上就已經(jīng)出現(xiàn)了能夠進行光合作用的藍細菌(藍藻)，它們通過光合作用產(chǎn)生氧氣，但這些氧氣并不能在大氣中積累。一方面，早期海洋中大量的亞鐵離子會與氧氣結(jié)合形成氧化鐵沉淀，如同“氧氣海綿”般將新生氧氣牢牢鎖住;另一方面，大氣中的甲烷等還原性氣體也會與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，消耗掉部分氧氣。因此，在大氧化事件發(fā)生前，地球表層系統(tǒng)的氧氣始終處于“產(chǎn)生-消耗”的動態(tài)平衡中，無法形成穩(wěn)定的富氧環(huán)境。
藍細菌的出現(xiàn)和改變
氧氣尚未產(chǎn)生之際，海洋中主要是由厭氧微生物占據(jù)，這時藍細菌所能利用的物質(zhì)和能量很少。為了解決這種困境，藍細菌進化出了一種在當(dāng)時極為特殊的能力——它們能進行光合作用，并將水分子拆分用于合成糖分和氧氣。但在當(dāng)時而言，氧氣與“毒氣”無異，對其他微生物來說，氧氣會讓它們快速氧化直至死亡。于是，作為地球上第一批，也是迄今為止唯一一類能夠進行產(chǎn)氧光合作用的微生物，在當(dāng)時的地球上幾乎無處不在的水為它們的大規(guī)模擴張和繁榮提供了近乎無限的資源，使它們能夠遍布全球的淺海和湖泊，從而得以生成大量的氧。自此，藍細菌開始大量繁殖并不斷提高地球氧氣濃度。
大約在24億年前，地球系統(tǒng)的氧氣緩沖能力達到了臨界點。氧氣的產(chǎn)生速率終于歷史性地超過了其消耗速率，導(dǎo)致大氣中的氧氣濃度在相對較短的地質(zhì)時間內(nèi)(可能持續(xù)數(shù)百萬年出現(xiàn)了戲劇性的、數(shù)量級上的躍升。
氧氣短時間內(nèi)大量出現(xiàn)的后果
盡管促進現(xiàn)代生命出現(xiàn)和進化的氧氣在藍細菌的出現(xiàn)后含量在一定時間內(nèi)迅速增加，但對于當(dāng)時的生命來說這并不是一件好事。
第一，氧氣氧化了大氣中的甲烷生成二氧化碳和水，這削弱了地球大氣層的溫室效應(yīng)，使得地球的溫度不斷降低，最終引發(fā)了地球歷史上第一次全球性冰期 ——休倫冰期(“雪球地球” 雛形)。第二，地球上原本游離氧含量極少，因此氧氣含量的快速增加會對其他生命造成傷害，例如，其他微生物在接觸到這些氧氣后會被氧化，最終失去生命。
雖然當(dāng)時氧氣含量的快速增加對生命有許多壞處，但同時也帶來了一定的好處。氧氣濃度的增加為生物多樣化的出現(xiàn)提供了新的機會，以及巖石、沙子、粘土和其他地質(zhì)基質(zhì)與地球大氣、海洋和其它地表水之間化學(xué)相互作用的巨大變化。盡管有機物具有自然循環(huán)性，但生命的能量限制一直存在，直到廣泛可用的氧氣才使代謝進化取得突破。這一代謝進化的突破極大地增加了生物體可利用的自由能，并對全球環(huán)境產(chǎn)生了影響。例如，在古生代后，線粒體進化出來，為生物提供了能量以適應(yīng)日益復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)中不斷發(fā)展的形態(tài)，盡管這些形態(tài)直到元古代晚期和寒武紀(jì)才出現(xiàn)。
最終地球的變化
在經(jīng)歷了漫長時間的演化后，地球的氧氣含量最終穩(wěn)定下來并保證現(xiàn)代生命的生存與進化，同時氧氣作為一種高度活潑的化學(xué)元素，極大地豐富了地球的礦物學(xué)。在GOE之前，地球上的礦物種類相對較少。氧氣的出現(xiàn)催生了大量新的氧化物、氫氧化物、硫酸鹽和碳酸鹽礦物。據(jù)估計，地球上超過一半的礦物種類都是在氧氣出現(xiàn)后才形成的，這直接或間接地與氧元素有關(guān)。
文獻引用：
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4. Bekker, Andrey (2014). "Huronian Glaciation". In Amils, Ricardo; Gargaud, Muriel; Cernicharo Quintanilla, José; Cleaves, Henderson James (eds.).(英文期刊文獻引用)
5. Sperling, Erik; Frieder, Christina; Raman, Akkur; Girguis, Peter; Levin, Lisa; Knoll, Andrew (August 2013). "Oxygen, ecology, and the Cambrian radiation of animals"(英文期刊文獻引用)
6. 《THE CO-EVOLUTION OF CLIMATE AND LIFE ON EARTH》-Paul F.(英文期刊文獻引用)
本文作者：廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院2025級本科生高金亮、殷嘉明。
本文由海洋負排放(ONCE)國際大科學(xué)計劃、廈門大學(xué)碳中和創(chuàng)新研究中心支持。
責(zé)編：微科普