地球与环境 2022-07-05 15:24

氧气对生命至关重要,但究竟是什么促使地球大气中的氧气首次上升,以及它发生的确切时间,在过去70年一直是科学家们的难题。

大多数科学研究表明,氧气在大约24亿年前迅速上升,然后在接下来的2亿年内急剧下降——这一事件被称为大氧合事件(GOE)。

一项新的国际研究由塔斯马尼亚大学的地质学家团队领导,与华盛顿卡内基研究所和多伦多大学的科学家合作,提出了另一种理论。

研究人员提出,大气中氧气的上升是一个非常缓慢的过程,在280万到180万年前,与超大陆旋回期间的大陆板块碰撞和海洋中蓝藻的进化有关。

大气中的氧气含量在10亿年的时间里不断上升,在19亿年前达到了接近今天21%的峰值。随后,氧气又下降了一段时间,这段时间被称为“无趣的十亿”。

这项研究表明,地壳中矿物的演化与氧气的增加有关,这是由于新的氧化金属物种的存在,只有在氧气增加的情况下才变得可用。

新理论通过测量岩石和海底矿物在地质年代中的氧化还原化学。

塔斯马尼亚大学的地质学家罗斯·拉格教授说,他们的研究结果是基于一系列矿物和同位素的丰富数据得出的。

塔斯马尼亚大学(University of Tasmania)、多伦多大学(Toronto)和卡内基研究所(Carnegie institute)的研究团队已经建立了大量关于各种矿物化学的数据库,涉及过去15年收集的数万份分析报告。

Large教授解释说:“全球范围内数据驱动研究的趋势正在增加,因为我们的技术正在迅速变化,能够获得数以千计的分析。”

“以前关于这一主题的许多研究都依赖于有限的分析,依靠计算机模型来填充数据并试图预测结果。这通常导致了‘直线’解释,而忽略了地球在地质时期的上下循环。”

Large教授说,氧气的首次增加伴随着二氧化碳和甲烷的减少,产生了更适合生命生存的海洋和大气条件。

拉奇教授说:“26亿年前的太古代海洋富含砷和汞等有毒元素,我们知道它们非常不适合生命生存。”

“我们的研究表明,随着氧气的增加,海洋的化学成分发生了变化,有毒元素减少,对生命重要的元素,如磷、钼和锌,变得更容易刺激进化变化。”

Large教授说,这些重大变化是由与超大陆旋回有关的大陆漂移的第一次发展带来的,超大陆旋回描述了地球上最大的陆地块的聚集、持续时间和分裂。

拉格教授解释说:“在每个超大陆循环的第一阶段,板块碰撞过程中形成的山脉导致海洋营养物质的侵蚀,刺激了生命,并向大气中释放氧气。”

“我们认为,造山的两个阶段帮助推动了氧气的增加、新矿物质的产生和早期生命的进化。第一次发生在约28亿年前,伴随着超大陆Kenorland的形成,第二次发生在约21亿年前,形成了超大陆努纳。”

第三次氧气循环开始于大约10亿年前,从那时起,循环的频率从间隔约2亿年增加到间隔约6000万年。该团队之前的研究表明,每一次氧循环都以大规模灭绝结束,但很快就会出现进化的大爆发。

与一些人的看法相反,拉奇教授并不认为我们正走向另一次大灭绝。他说,在过去的物种大灭绝中,二氧化碳的含量从今天的300 ppm上升到4000 ppm以上,而氧气的含量则从今天的21%下降到10%以下,甚至可能低至5%。

他认为,根据地球的周期,下一次大灭绝大约在3000万年之后。


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