《自然》——氮同位素事件：揭开大氧化事件序幕的关键时刻

原创 气体地化专委会 元素和同位素地球化学 2024年08月26日 02:41

一项最新的研究发现，早在大约27亿年前，地球上的生物已经开始利用氧气进行氮循环过程。这项研究由法国勃艮第大学Alice Pellerin博士等科学家完成，并于8月21日发表在顶级科学期刊《自然》上。研究人员分析了位于巴西亚马逊克拉通的Serra Sul地层(ca. 2.58–2.06 Ga) 中的沉积岩样本，这些岩石形成于约26.8亿年前。通过对岩石中氮同位素（δ15N）组成的精确测量，科学家们发现了异常高的δ15N值（大于30‰），这表明当时存在着一种特殊的氮循环机制，该机制依赖于微量的氧气参与。

长期以来，科学家们一直试图理解氮同位素组成（δ15N）在不同地质时期的变迁。这些变化能够反映生物活动对地球氧化还原条件的影响。然而，在大约24.5亿年前的大氧化事件前后，δ15N记录并没有出现显著的变化，这暗示着早期地球氮循环中氧气的使用与大气氧气浓度的增加之间可能存在脱节。

此次新发现的高δ15N值出现在28亿至26亿年前的沉积岩中，但其成因和分布范围之前一直不明确。通过对Serra Sul地层的研究，科学家们认为这些异常值可能源自于局部环境中氨氧化为氮气或一氧化二氮的过程，这一过程需要少量的氧气参与。这意味着在27亿年前，地球上就已经出现了光合作用产生的分子氧，从而改变了环境的氧化还原电位。研究人员认为，氧气的产生使得氮循环发生了一次重要的转变，从依赖厌氧途径转变为以氨氧化为基础的中间态氮循环。在这个过程中，氮循环逐渐过渡到硝酸盐在水体表层的积累。

“氮同位素事件”——大氧化事件的前奏：基于这些发现，科学家们提出了“氮同位素事件”的概念，用来描述那些具有异常高δ15N值的时间段。这一时期标志着地球生态系统向大氧化事件过渡的最早阶段。随着氧气水平的逐渐上升，氮循环的模式也经历了根本性的变化，最终导致了大气中氧气含量的大幅增加。这项研究不仅提供了关于早期地球氮循环的新见解，还为理解生命如何适应并影响地球环境的变化提供了重要线索。未来的研究将进一步探索这一时期氮循环的具体细节，以及它如何促进了地球生命演化的历史进程。

更多信息请阅读原文：

Pellerin, A., Thomazo, C., Ader, M. et al. Neoarchaean oxygen-based nitrogen cycle en route to the Great Oxidation Event. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07842-x

作者简介：

Alice Pellerin 博士研究聚焦于从无氧海洋向富氧海洋的过渡，特别是针对新太古代（40亿至25亿年前）的环境变化。使用沉积岩中的氮同位素（δ15N）作为标记，来识别与生物圈演化相关的海洋氧化状态的变化。通过对三个不同年代和沉积环境的案例进行研究，工作有助于我们更好地理解新太古代早期氮循环的动力学特征。其中，Buck Reef Chert（34亿年前，南非）提供了新太古代早期无氧且富含铁的环境下的氮循环动态的第一个记录；Serra Sul Formation（27亿年前，巴西）证明了在大氧化事件前2亿多年就已经存在氧气光合作用；Malmani Subgroup（25亿年前，南非）揭示了早期好氧生态系统的栖息地不一定代表整个水柱的全面氧气化。

联系方式：

• 单位：勃艮第大学，Biogéosciences UMR CNRS/uB 6282

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