地球的氧气从何而来？氧气上升到今天的水平，实际上是相当困难的

博科园：本文为地球科学类

一个多世纪以来，可居住外星世界的存在想法，一直是很多科幻家的题材。在19世纪，天文学家认为火星人可能正在使用运河交通线路穿越这颗红色星球。现在，尽管生活在一个科学家可以研究距离我们太阳系数光年行星的时代，但大多数新研究表明继续减少了找到人类可能生活的其他星球的机会。最大的绊脚石可能是氧气，人类定居者需要一个高氧气的大气来呼吸。那么，我们是如何如此幸运地在一个氧气充足的地球上进化的呢？

地球海洋和大气的历史表明，氧气上升到今天的水平是相当困难的。目前的共识是，地球经历了大气和海洋含氧量的三步上升，第一次被称为“大氧化事件”，发生在大约24亿年前。之后是大约8亿年前的“新元古代氧合事件”，最后是大约4亿年前的“古生代氧合事件”，当时地球上的氧气水平达到了现代峰值的21%。在这三个时期发生了什么来增加氧气水平，这是一个有争议的问题。一种想法是，新的有机体对地球进行了“生物工程”，通过它们的新陈代谢或生活方式来重组大气和海洋。

例如，大约4亿年前陆地植物的崛起，可能通过陆上光合作用增加了大气中的氧气，取代了海洋中的光合细菌，后者在地球历史的大部分时间里，一直是主要的氧气制造者。或者，板块构造变化或巨大的火山喷发也与地球氧合事件有关。这部以事件为基础关于地球上氧气是如何变得如此丰富的历史暗示着，我们非常幸运地生活在一个高氧气的世界里。如果没有发生一次火山喷发，或者某种有机体没有进化，那么氧气可能会在低水平停滞。

磷，缺失的一环

最新研究表明，情况并非如此，我们创建了一个地球碳、氧和磷循环的计算机模型，发现氧转变可以用地球内在动力学来解释，很可能不需要任何奇迹事件。关于地球氧合理论中缺少的一样东西是磷，这种营养物质对海洋中的光合细菌和藻类非常重要，有多少海洋磷最终将控制地球上产生多少氧气。这在今天仍然是正确的，自从大约30亿年前光合作用微生物的进化以来就是如此。海洋中的光合作用依赖于磷，但高磷酸盐水平也通过一种称为富营养化的过程推动深海氧气消耗。

当光合微生物死亡时，它们会分解，这会消耗水中的氧气，随着氧气水平的下降，沉积物往往会释放出更多的磷。这个反馈回路能迅速除去氧气，这意味着海洋中的氧气水平能够迅速变化，但它们在长时间尺度上被另一个涉及地幔的过程缓冲。纵观地球历史，火山活动释放出与大气发生反应并从大气中除去氧气的气体。由于地幔冷却，这些气体流量随着时间的推移已经消退，计算机模型表明，随着光合作用生命的最初演化，这种缓慢的减少，是产生一系列氧气水平阶跃变化增加所必需的。

这些阶梯式增加与整个地球历史上发生的氧气三步上升有着明显相似之处，该模型还支持我们目前对海洋氧合作用的理解，在海洋变得像今天这样有弹性地氧合之前，海洋氧合作用似乎经历了无数次的氧合和脱氧循环。所有这一切真正令人兴奋的是，氧合模式可以被创造出来，而不需要困难和复杂的进化飞跃，也不需要间接的灾难性火山或构造事件。因此，一旦光合作用进化，地球氧合作用似乎是不可避免的，而在其他地方存在高氧世界的可能性可能要高得多。

博科园｜文：Lewis Alcott and Benjamin J. W. Mills/The Conversation

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