让人活命的氧气,竟然曾导致99.5%的生命消失……

  当今地球的大气圈和海洋表层布满着氧气,润泽着地表绝大多数的生物成长。可是直到上世纪六十年代,科学家才发现地球上的氧气并非与生俱来,而是缓不济急,在地球阅历了绵长的 23 亿年后才出现。

  也便是说,地球简直花了迄今一半时刻才改动了本来的无氧环境或复原环境,即不含或含极微量游离氧和其他强氧化剂,而是富含很多有机残体和甲烷、氢等复原性物质的环境,然后开端了有氧环境下的演化。而有氧环境的构成首要归功于细小的蓝藻长期不懈开释氧气的效果。

  Part.1

  氧气并非与生俱来?

  看科学家说氧气的发作

  美国科学家克劳德(Preston Cloud)1968 年在他出书的《原始地球大气圈和水圈的演化》初次佐证了距今 25 亿年前大气氧含量十分低。他在调查美国安大略省南部休伦湖北部休伦出众的岩石时观察到,在大约 25 到 24 亿年前较早的河流沉积物中含有碎屑铀矿和黄铁矿,它们都是复原环境下的产品。而在更年青的岩石中,其间的铀矿和黄铁矿消失了,但出现了激烈赤色的砂岩,这些岩层被称为红层,阐明存在有被氧化的三价铁。

  科学家 James Farquhar 经过研讨岩石硫同位素,依据它们的不同分馏性质,发现在地球前史的不一起期岩石所包含的硫同位素分馏信息是有明显不同的,而这种不同的时刻点能够准确界定在大约 23.5 到 23 亿年前,因而,很好地证明了地球榜首次大氧化事情的发作,其时大气中的氧气从无到有,大气含氧量约为今日大气氧含量的1%。


地球前史的不一起期岩石硫同位素分馏信息的不同体现。图片来历:Farquhar et al.,2003

  图中横坐标是地球年纪,从 4000 百万年到 0 百万年标明地球从开端到现在,图中的黑点代表一个个样品数据,假如它对应纵坐标值为0,阐明便是正常的质量相关分馏。从图中咱们能够看出,在阶段 1 时,出现了很多的质量无关的分馏。James Farquhar 随后证明了这种失常情况的出现首要是地球前期岩石被来自太阳光的紫外光照耀而发作的,而后来又消失的原因是因为地球大气圈发作了臭氧层(是氧在平流层的一种方式)吸收了紫外光,所以这种失常分馏的消失就能够代表氧气的大规模出现。

  近来,一个世界科学家小组对来自加拿大哈德逊湾的重晶石进行了研讨,这些岩石已存在数十亿年,贮存了特定时刻大气中氧气含量的信息。凭借这些岩石,研讨小组证明:大约 24 亿年前,大气中氧气的浓度急剧添加,他们的效果宣布在《美国国家科学院院刊》上。

  Part.2

  大氧气事情:生命的劫难,更是生命的重生

  毫无疑义,大氧化事情对天然界和生物界都发作了深入的影响,不仅为咱们带来了今日所需的铁矿资源,更是诞生了真核生命,即需求有氧环境下呼吸和生计的生命,从此敞开了通向人类出现的演化征途。

  可是,大氧化事情也导演了距今 20 亿年前生命史上榜首次大规模灭绝事情,斯坦福大学研讨人员发现,地球上高达 99.5% 的生命消失了。其时地球海洋是单细胞藻类统一天下,自养的蓝藻在吸收二氧化碳,养分本身的一起不断地开释氧气,效果构成了有氧环境的出现,即大氧化事情。可是,有氧环境却对本来厌氧的原核生命发作了丧命的损伤,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比较,这次大规模灭绝明显更为惨烈。

  大氧化事情导致的有氧环境,其演化并非一往无前。生物演化在氧气的指挥棒下,也是几经灭绝与重生。2014 年,美国耶鲁大学学者在《科学》杂志上宣布研讨以为,在氧浓度较高的情况下,地球岩石中的部分铬同位素易被氧化并溶于水,流进海洋,构成岩石中的这部分铬同位素含量下降。因而,研讨不同前史时期的岩石铬同位素水平可反映相关年代的大气氧浓度。由此证明了榜首次大氧化事情后,地球环境从前再一次进入绵长的低氧环境。

  那么,为什么会进入绵长的低氧环境呢?科学界现在提出了一个理论模型“有机碳库模型”,该模型标明,前寒武纪海洋表层透光带内进行光合效果的微生物首要是原核生物,这些微生物逝世后的有机质易氧化降解,在海水中不断堆集,好像一个巨大沼地池。水体中很多腐殖有机质不断耗费着海水中氧气,然后导致了海水的缺氧。这种情况简直一向接连了十几亿年,到距今6-5.2 亿年前才得到了底子改动,并构成了第二次大氧化事情。

  Part.3

  生物进化的腾跃——第二次大氧化事情

  本年以来,由南京古生物研讨所朱茂炎研讨员与英国伦敦大学科学家组成的研讨团队,在前期生物演化与大氧化事情取得了系列效果。他们宣布在《天然-地球科学》的研讨标明,促进第二次大氧化事情构成的首要原因是大规模造山运动将很多蒸腾岩矿藏风化剥蚀输入海洋。因为富含硫酸盐的蒸腾岩是一种氧化剂,能够经过硫酸盐复原菌对海水中的有机质进行氧化,构成黄铁矿埋藏在沉积物中,导致其时海洋中有机碳库快速削减。

  一起,跟着海洋中有机碳的快速氧化,向大气排放很多 CO2,进一步导致大气升温,然后加强了陆地风化效果和蒸腾岩向海洋的输入量,使海洋中有机碳库进一步被氧化,构成了一个海洋氧化的正反馈效果机制,使得大气和海洋中的氧气快速添加,为地球大型杂乱多细胞生命的快速演化奠定了基本条件。


蒸腾岩风化与海洋有机碳库氧化的正反馈模型图。图片来历:南京古生物研讨所网站

  一起,因为海绵动物的出现,开端捕食海水中悬浮的有机质,加快了海水有机质的耗费和埋藏,削减了海水中氧气的耗费。跟着氧气含量的添加,微型浮游动物和出现的身体结构杂乱的动物构成了杂乱的食物网,很多耗费海水中的有机质,并以动物大颗粒排泄物和尸身的方式进入沉积物,大大提高了有机物埋藏的功率,终究导致了海洋和大气中氧气含量的添加。

  第二次大氧化事情极大地推动了生物的开展,近四十年来在我国不断发现的前寒武纪晚期生物群标明,六亿年前出现的蓝田生物群显现那时的生物已然宏体化,高家山生物群证明生物的骨骼化进程现已开端,特别是澄江生物群和清江生物群的发现,打开了寒武纪生命大迸发的窗口,真实敞开了通向现代生物圈的演化大幕。

  Part.4

  寒武纪生命大迸发谜底揭开?

  氧气含量是要害

  寒武纪(距今 5.42 至 4.85 亿年)是显生宙榜首个年代,寒武纪前期发作的生命大迸发出现了如今简直一切的动物类别,奠定了通向现代生物多样性开展的根底。可是,长期以来科学界一向在探究寒武纪生命大大迸发的构成机制,并提出了一系列假说。本年 5 月 7 日,中英俄世界合作团队在英国《天然-地球科学》(Nature Geoscience)在线宣布研讨效果,给这一科学难题供给了新的答案。他们经过对西伯利亚寒武纪前期接连的碳酸盐岩地层剖面中的碳、硫同位素研讨,提醒了大气和海洋的氧气含量对寒武纪大迸发进程的操控。

  他们提出的生物地球化学循环模型核算标明,寒武纪前期距今 5.24 亿年至 5.14 亿年期间发作了五次同步改变。当海水碳、硫同位素同步侧重(正反常)时,标明有机碳和黄铁矿埋藏量添加,导致氧气产值的快速添加;当海水碳、硫同位素同步偏轻(负反常)时,标明有机碳和黄铁矿埋藏量削减,导致氧气产氧量的削减。碳、硫同位素改变起伏反映了大气和浅海中氧气含量的改变起伏。而距今 5.14 亿年之后碳、硫同位素的不同步改变则反映了海水的遍及缺氧。因而,动物在大约 5.2 亿年前后阶段性的快速辐射演化(寒武纪大迸发)很可能遭到大气和海洋中氧气含量的操控。特别是寒武纪大迸发的顶峰时期,海水碳和硫同位素值发作的同步动摇的次数和起伏,与动物化石多样性改变的次数和起伏在时刻上的高度符合(He,T, Zhu,M,. et al.,2019)。

  西伯利亚寒武纪前期碳、硫同位素和氧气生产值改变与动物多样性之间的联系。纵向为寒武纪大迸发时期的时刻轴,横向三栏分别为碳、硫同位素改变曲线、氧气输出量和动物品种数量/古杯类品种数量。(图片来历:南京古生物馆研讨所网站。)

  自寒武纪生命大迸发以来,地球大气层中氧气的含量变化在 10% 到 35% 之间,现在是 21%。正是氧气不断布满着大气层,改进了大气氧化环境,促进动物登上了陆地,演化出包含咱们人类的很多生命,出现了一幕幕汹涌澎湃又跌宕起伏的生物演化。

  出品:科普我国
  制造:冯伟民(我国科学院南京地质古生物研讨所)
  监制:我国科学院核算机网络信息中心

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