2亿年的氧气之旅

对大氧化事件时期的海相页岩和同位素数据的研究揭示了早期地球大气和海洋中的动态氧波动，凸显了这一关键演化阶段的漫长而复杂的性质。 图片来源：SciTechDaily.com

根据最近的发现，地球的“大氧化事件”持续了 2 亿年。

新的研究强调了大氧化事件的复杂性，揭示了大气和海洋中氧气的上升是一个持续两亿多年的动态过程，受到对生命进化至关重要的地质和生物因素的影响。

大氧化事件

大约 25 亿年前，游离氧或 O₂它们首先开始在地球大气层中积累到有意义的水平，为我们不断发展的星球上复杂生命的出现铺平了道路。

科学家将这种现象称为大氧化事件，简称GOE。 但最初积累的O₂ 根据犹他大学地球化学家领导的新研究，在地球上，事情并不像这个名字所暗示的那么简单。

这个“事件”至少持续了2亿年。 跟踪 O 积累₂ 地质与地球物理学系助理教授查德林·奥斯特兰德 (Chadlin Ostrander) 表示，到目前为止，海洋中的生活一直非常困难。

“新出现的数据表明，O2 的初始上升₂ 地球的大气层是动态的，间歇性地展开，直到大约2.2。 “十亿年前，”该研究的主要作者奥斯特兰德 (Ostrander) 说，该研究于 6 月 12 日发表在该杂志上。 自然。 “我们的数据证实了这一假设，甚至更进一步将这些动态扩展到海洋。”

查德林·奥斯特兰德。 图片来源：Chad Ostrander，犹他大学

海洋岩石的愿景

他支持的国际研究团队 美国宇航局 外星生物学计划重点研究南非德兰士瓦超群的海洋岩石，深入了解地球历史上这一关键时期的海洋氧动态。 通过分析铊 (Tl) 稳定同位素和氧化还原敏感元素的比率，他们发现了海洋 O 波动的证据。₂ 水平与大气中氧气的变化一致。

这些结果有助于加深对形成地球 O 的复杂过程的理解₂ 在地球历史的关键时期，它们的水平为我们所知的生命进化铺平了道路。

了解早期海洋状况

“我们真的不知道海洋中发生了什么，地球上第一个生命形式可能是在海洋中起源和进化的，”去年从马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所加入加州大学洛杉矶分校教师的奥斯特兰德说。 “所以知道O₂ 对于早期生命来说，海洋的内容及其随时间的演变可能比大气更重要。

该研究建立在奥斯特兰德、英国利兹大学的西蒙·博尔顿和加州大学河滨分校的安德烈·贝克尔的合著者的工作基础上。 在 2021年学习他们的科学家团队发现 O₂ 直到全球氧化过程开始大约2亿年后，它才成为大气中永久的一部分，比之前认为的要晚得多。

大气和海洋中的氧气波动

缺氧大气的确凿证据是，GOE 之前的沉积记录中存在罕见的、与质量无关的硫同位素特征。 地球上很少有过程可以产生这些硫同位素特征，并且众所周知，它们在岩石记录中的保存需要没有大气中的氧气。₂。

在地球存在的前半段，大气和海洋基本上不含 O₂。 这种气体似乎是在 GOE 之前由海洋中的蓝藻产生的，但在早期，O₂ 它在与暴露的矿物质和火山气体的反应中迅速被破坏。 博尔顿、贝克和他们的同事发现稀有硫同位素的痕迹消失但又重新出现，这表明 O 的多重性₂ GOE 期间气氛的上升和下降。 这不是一个单一的“事件”。

地球氧化的挑战

奥斯特兰德说：“当地球开始产生氧气时，它还没有准备好被氧化，地球需要一段时间才能在生物、地质和化学方面进化到适合氧气。” 你有氧气的产生，但你有大量的氧气破坏，但什么也没有发生。 我们仍在试图弄清楚什么时候天平完全倾斜，地球就无法回到无氧大气层。

今天，或者₂ 按重量计算，它占大气的21%，仅次于氮气。 但在GOE之后，氧气在数亿年的时间里仍然是大气中非常小的成分。

先进的同位素分析技术

追踪 O 的存在₂ 在GOE期间的海洋中，研究小组依靠奥斯特兰德在铊稳定同位素方面的专业知识。

同位素是相同元素的原子，具有不同数量的中子，因此它们的重量略有不同。 特定元素的同位素比率推动了考古学、地球化学和许多其他领域的发现。

铊同位素和氧指示剂

质谱技术的进步使科学家能够精确分析元素周期表底部元素（例如铊）的同位素比率。 对于 Ostrander 和他的团队来说幸运的是，铊同位素比对海底氧化锰的埋藏很敏感，这一过程需要 O₂ 在海水中。 研究小组检查了同一海洋岩石中的铊同位素，这些岩石最近被证明可以追踪大气中的氧气₂ GOE 期间稀有硫同位素的波动。

在页岩中，奥斯特兰德和他的团队发现了较轻同位素铊的显着富集。²⁰³Tl)，这种模式最好的解释是海底埋藏着氧化锰，从而导致了 O 的积累₂ 在海水中。 这些富集是在缺乏稀有硫同位素特征的相同样本中发现的，因此当大气不再缺乏氧气时。 蛋糕上的结冰： ²⁰³当稀有硫同位素特征恢复时，富集就会消失。 这些结果得到了氧化还原敏感元素的富集的支持，氧化还原敏感元素是追踪古代 O 变化的更经典的工具。₂。

奥斯特兰德说：“当硫同位素表明大气已被氧化时，铊同位素表明海洋已被氧化。当硫同位素表明大气再次缺氧时，铊同位素也表明海洋已被氧化。”分为含氧和脱氧两种。 “对于那些对古代土地感兴趣的人来说，这是很棒的新信息。”

参考文献：“23 亿年前大气和海洋双重氧化的开始”作者：Chadlin M. Ostrander、Andy W. Heard、Yunchao Shu、Andrey Bekker、Simon W. Poulton、Kasper P. Olesen 和 Sune G. Nielsen，2024 年 6 月 12 日, 自然。
号码：10.1038/s41586-024-07551-5