大氧化事件疑点重重

蒙特利尔电——曾经，地球氧化的故事十分清晰。地球诞生后的头20亿年里，大气与海洋中几乎不存在游离氧。大约24.5亿年前，能够进行光合作用的蓝细菌祖先开始向全球释放氧气，为复杂生命的演化与繁盛创造了条件。这一事件被称为大氧化事件（GOE）。康涅狄格大学地球化学家穆杰塔巴·法赫拉伊表示，这是“地球历史上地表环境发生过的最引人入胜、也最剧烈的一次变迁”。

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但这套传统说法近来变得疑点重重。矿物分析表明，产氧微生物的演化时间比大氧化事件还要早数亿年，由此产生一个巨大的未解谜团：在此期间氧气浓度为何一直维持在低位。而且大氧化事件看上去并非一次性事件，而是分多轮发生。在大约两亿年的时间里，氧气含量反复升降：先是大规模氧化，之后又出现大规模脱氧，这样的循环反复上演了数次。

如今，学界陆续提出了多种可能的解释。在本月戈德施密特地球化学大会上，一项报告提出：只有当全球海洋形成大面积浅海区域之后，氧气含量才得以升高。另有观点认为，氧气的多次脉冲式上升，对应着远古地球周期性进入“雪球地球”状态——冰川一直蔓延至低纬度地区，整个星球被冰雪包裹。

数十年来，科学家依靠岩石记录中三种硫同位素比值的显著变化识别出大氧化事件。该同位素变化反映出大气中二氧化硫受紫外线分解的过程发生改变。氧气升高后形成臭氧层，阻挡紫外线，上述化学反应随之减弱。根据同位素特征，大氧化事件被定年至24.5亿年前，这一时间点至今仍被广泛认可。

然而，《自然》杂志去年发表的一项研究报道，早在28.5亿年前，就已经出现由产氧蓝细菌形成的碳酸盐沉积物。利用现代微生物的突变速率推算光合作用的起源时间，结果更是把这一时间往前推，最远可达35亿年前。过去二十年间，研究人员还在一些必须依靠氧气才能形成的矿物中，发现了大氧化事件之前就存在的微量氧气痕迹。

法赫拉伊说，综合各项研究可以得出一个极具说服力的推论：光合微生物出现数亿年之后，大氧化事件才真正开启。“最大的问题就在于，为什么会出现这样的时间差？”

密歇根大学地球化学家吉娜·约翰逊认为，并非所有人都认同产氧光合作用演化得如此之早。她的研究表明，微生物最早演化出的一类光合过程，并不产生氧气。此外，部分曾经被视作生物产氧标志的金属氧化物，现已证实可以由紫外线驱动的光化学反应生成。“要把这些现象解释清楚，还有很多工作要做。”她说道。

倘若光合生命大规模出现与大氧化事件之间的时间差属实，部分科学家给出的解释是：海洋中大量铁等还原性物质发生化学反应，消耗掉早期生成的氧气。被消耗的氧气参与形成了澳大利亚等地发现的深红色条带状铁建造，这类地层由氧化铁构成。后来又有研究者提出，地球深部持续释放的还原性化学物质，一直压制着氧气浓度。但约翰逊指出，这类“化学海绵”要持续数亿年发挥作用，其中机制尚不明确。

法赫拉伊及其合作者在戈德施密特大会上提出了关于该时间滞后的新解释，核心聚焦于大陆架，也就是海洋浅滩。如今大陆架仅占海洋总面积的9%，却是地球上光合产氧最活跃的区域之一。海洋蓝细菌在大陆架死亡之后，生物体中的碳会快速埋藏到沉积物中，不会被氧化，也就不会消耗大气中的氧气。有证据显示，在大氧化事件发生前后，随着年轻大陆开始遭受侵蚀，大陆架面积开始扩张。法赫拉伊介绍，模型计算显示，一旦大陆架面积扩张至现今面积的10%以上，氧气含量就会快速抬升。“这为板块构造活动驱动全球性环境巨变这一观点，提供了有力依据。”

不过，氧气的上升过程并非平稳持续。本世纪初，一支地球化学研究团队分析南非海洋沉积物发现，大氧化事件开启之后的两亿年间，代表低氧环境的硫同位素特征多次重现，其中包含三次公认的雪球地球时期。加州大学河滨分校地球化学家安德烈·贝克是该篇2021年发表于《自然》论文的共同作者，他表示：“我们意识到，大氧化事件是一个多阶段、间歇性的转变过程。”

在戈德施密特会议上，维多利亚大学气候科学家科林·戈德布拉特提出，雪球地球事件造成的环境动荡，是大氧化事件启动坎坷的原因。地质记录基本证实，第一次雪球地球发生在大氧化事件之前，成因可能是二氧化碳浓度下降，诱因包括岩石对二氧化碳吸收增强，或是火山喷发释放的二氧化碳减少。

无论成因如何，全球性冰川作用会在很大程度上阻断海洋对二氧化碳的吸收，造成二氧化碳在大气中不断累积，重新加热地球，最终消融全部冰川。冰川消融只需要一万年，但二氧化碳会在大气中留存十万年。在由此形成的高温气候下，大量磷元素从大陆冲刷进入海洋，促使海洋微生物大量繁殖，氧气产量随之飙升，臭氧层也得以形成，削弱紫外线引发的耗氧化学反应。

等到下一次雪球地球来临，海洋微生物生产活动遭到重创，氧气含量便再次暴跌。戈德布拉特说：“地球氧气含量跟着气候起起落落，直到地球摆脱低纬度冰川循环为止。”

戈德布拉特在会上谈到，研究地球早期历史的学者坦言，人们才刚刚开始还原大氧化事件完整清晰的图景，除大陆架扩张、全球冰川之外，可能还存在其他影响因素。“在场的每一个人，或许都能提出一套自己的假说。”

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