Nature重大发现：铊（Tl）同位素比值掲示“大氧化事件（GOE）”经历2亿年漫长历程！

美国犹他大学 元素和同位素地球化学 2024-06-15 17:46 江苏

6月12日发表在《自然》杂志重要科学发现，揭示地球上的“大氧化事件”（GOE）实际上是一个跨度长达2亿年的渐进过程，而非瞬间转变。这一革命性的成果不仅重塑了我们对地球早期大气与海洋氧气含量变化的理解，也为生命复杂化进程的开启提供了全新视角。

约25亿年前，自由氧（O2）开始在地球大气中积累，为生命多样性的繁荣奠定了基础。然而，由犹他大学地质化学家领导的研究团队揭示，这一“大氧化事件”的发生远非一帆风顺，其过程充满了起伏与波动。助理教授查德林·奥斯特朗德指出，他们最新的研究数据支持了氧气最初在大气中积累的动态特性，这一过程至少延续了2亿年，并且海洋中的氧气追踪尤为困难。澳大利亚的带状铁构造。传统的理解是，它们是在大氧化事件期间随着氧气的释放在海水中形成的。图片来源：https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=30889569研究团队聚焦于南非德兰士瓦超群的海相页岩，通过分析稳定的铊（Tl）同位素比率（205Tl/203Tl）和氧化还原敏感元素，他们发现了与大气氧气变化相匹配的海洋氧含量波动迹象。这一发现利用了同位素地球化学的先进手段，特别是铊同位素比率对海床锰氧化物沉积的敏感性，后者是海洋中存在氧气的标志。奥斯特朗德博士解释说：“当硫同位素显示大气开始富氧时，铊同位素则表明海洋也在经历类似的变化。反之亦然，当大气返回无氧状态时，海洋亦同步变化。”这一发现意味着，大气与海洋的氧气化过程是相互耦合的，而不仅仅是单方面的变化。值得注意的是，这项研究依赖于质谱技术的进步，使得科学家能够更精确地分析包括铊在内的元素同位素比率，这些元素在元素周期表上位置更靠后。通过观察203Tl同位素的富集，研究人员能够推断出特定时期海洋中氧气的积累情况，进而揭示出地球早期大气与海洋氧气含量的动态变化。该研究不仅证实了地球氧气历史的复杂性，还强调了海洋氧气含量随时间演变的重要性，尤其是在生命早期阶段。奥斯特朗德强调，对于了解地球生命起源与演化的关键阶段，海洋中的氧气含量可能比大气更为关键。这一科研成果，连同英国利兹大学的西蒙·波尔顿和美国加州大学河滨分校的安德烈·贝克尔等人的前期研究，共同为地球早期氧化环境的构建提供了更为细致的图景，推动了我们对地球生命宜居条件形成过程的深入理解。本研究首次将地球早期大气中氧气动态变化与海洋环境直接关联，标志着地球氧化历史上的一个重要转折点——从局部、不均匀的“绿洲式”氧化模式，转向更加广泛和统一的氧化环境。这一发现不仅填补了我们对地球早期氧化历程认识的空白，也为理解生命演化的关键环境背景提供了新的视角。

更多详情可参阅：

Ostrander, C.M., Heard, A.W., Shu, Y. et al. Onset of coupled atmosphere–ocean oxygenation 2.3 billion years ago. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07551-5

名词解释：大氧化事件

大氧化事件（Great Oxygenation Event, GOE）是指大约24亿至20亿年前发生在地球历史上的一次重大环境变迁，其间大气中的游离氧（O2）浓度经历了显著上升的过程。这一事件标志着地球表面环境从原本的还原性为主转变为氧化性，对地球生命的演化产生了深远影响。

在此之前，地球大气主要由氮气、二氧化碳以及少量甲烷等气体组成，而氧气只存在于微量状态。大氧化事件的发生，普遍认为与蓝细菌（一种原核生物）的光合作用有关，它们通过将水分子分解产生氧气作为副产品，逐渐改变了大气成分。随着氧气的累积，它开始在大气中占据显著比例，导致了许多厌氧微生物的灭绝，同时也为后来需氧生命的出现和发展铺平了道路，包括最终多细胞生物的兴起和动物的起源。

此外，这一事件也促使了地球表层矿物质的氧化，形成了今天我们所见的铁矿石和其他含氧化合物，彻底改变了地球的地表化学循环和地貌特征。大氧化事件是地球历史上一个重要的转折点，对于理解地球生态系统的发展以及生命的多样性至关重要。