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讓地球氧氣在5億年前猛增的神秘力量找到了

2019-09-05 科技日报 张晔
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  氧氣是人類和動物賴以生存的基礎。但是,遠古時期的地球曾極度缺氧,是一片不折不扣的生命禁區。

  然而,到了距今5.8億—5.2億年左右,地球氧氣卻猛地增加了。似乎有一種神秘力量在左右著地球氧氣含量的平衡點。多年來,科學家一直在尋找那股神秘力量。它究竟是什麽?又是如何發揮作用的?

  9月2日,这个谜底终于揭开了:中英两国科学家在《自然—地球科学》发表論文,认为声势浩大的造山运动将大量蒸发岩输入海洋,蒸发岩作为一种氧化剂,使得大气和海洋中的氧气快速增加,为大型复杂多细胞生物的快速演化提供了基础。

  兩次事件讓地球快速“氧化”

  46億歲“高齡”的地球,曾是一個毫無生機的星球,空氣中幾乎沒有氧氣。空氣中的氧分子還不到現在大氣氧含量的0.001%。

  荒蕪了20多億年後,在距今約24億年前,終于發生了第一次增氧事件。大氣含氧量達到現代大氣含氧量1%的水平,真核生物在地球上首次出現。此時,一些低等的藻類植物進行光合作用,但産生的氧氣一直被大氣中的還原性氣體通過氧化作用消耗掉。

  “这是著名的‘大氧化事件’。它指在相对较短的时间内,大气氧含量显著上升的过程。”中國科學院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎告诉科技日报记者。

  但隨後十幾億年裏,大氣氧含量卻沒有增加,阻礙了多細胞真核生物的演化。目前學界認爲,前寒武紀海洋中進行光合作用的主要是細菌、藍藻等微生物。它們死亡後的有機質在海水中不斷積累,大量消耗海水中的氧氣,從而導致缺氧。

  “也就是說,前寒武紀海洋中存在一個巨大有機碳庫,阻止了氧含量的增加。”朱茂炎說,這種缺氧的海洋類似于現在的巨大沼澤池,水中大量腐殖的有機質不斷消耗著氧氣。因此,水質渾濁並缺氧。

  直到距今5.8億—5.2億年前後,地球發生第二次大氧化事件,大氣中的氧含量增加到現代大氣氧含量的60%以上的水平,大洋也全部氧化,導致多細胞真核生物大輻射,以及動物快速起源和寒武紀大爆發。

  經過兩次大氣快速增氧事件,地球才有了占據現代大氣含量21%的氧氣,爲動物的出現和發展提供了環境基礎。

  蒸發岩成爲海洋氧化劑

  從渾濁缺氧到清澈富氧,前寒武紀的海洋如同化繭成蝶,究竟是什麽原因導致這一巨變呢?

  此前,流行的假說是“生物與環境協同演化模型”。這個模型提出的正反饋機制表現爲氧氣增加的線性加速,這與距今5.8億—5.2億年左右大氣和海洋氧氣含量多次大規模波動、生物發生階段性輻射演化的實際情況卻是不一致的。

  朱茂炎帶領的中英合作團隊耗時數年,對距今5.8億到5.2億年前後的地質層和生命演化做了進一步的觀察和研究,對地層中的碳同位素進行對比分析,提出了一個新的地球系統模型,對這一時期地球氧氣迅速增加的原因給出了新的見解。

  他們認爲,距今5.7億年前後,地球上的主要大陸通過拼合形成了一個岡瓦納超大陸和位于超大陸內部的超級中央造山帶,將8億年前後大量沈積的蒸發岩礦物風化剝蝕輸入海洋。據介紹,造山帶往往形成相對隆起的山脈,風化能力和往海洋輸送物質的能力都會明顯加強。恰是此時,即距今8億年前後,地球上沈積了很厚的蒸發岩。

  “富含硫酸鹽的蒸發岩是一種氧化劑,可以氧化海水中的有機質。”朱茂炎告訴記者,通過硫酸鹽還原菌對海水中的有機質進行氧化,形成黃鐵礦埋藏在沈積物中,導致當時海洋中有機碳庫快速減少。

  同時,海洋中有機碳的快速氧化,向大氣排放大量二氧化碳,進一步導致大氣升溫,加強了陸地風化作用和蒸發岩向海洋的輸入量,海洋中有機碳庫進一步被氧化,使得大氣和海洋中的氧氣快速增加。

  從此,産生的氧氣開始淨增。地球上的氧氣建立起了新的平衡,而這個平衡一直維持到現在。

  這個新的模型與該時期生物的階段輻射演化模型更加契合。新模型不僅驗證了前寒武紀海洋中巨大有機碳庫存在的假說,還爲海洋中巨大有機碳庫的變化控制著前寒武紀末期地球多次大規模冰期發生的假說提供了支撐。因爲海洋中巨大有機碳庫如果不被氧化,大氣中的二氧化碳就會不斷降低,氣候就會變得越來越冷。而構造驅動的海洋有機碳庫的氧化,向大氣中排放大量二氧化碳,氣候就變得越來越暖。正是由于海洋的氧化,海洋中有機碳庫變小,它作爲氣候的調節器作用也就減弱,寒武紀之後的地球再也沒有發生過類似前寒武紀的“雪球地球”那樣的極端冰期氣候事件。

打印 責任編輯:侯茜

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