出品：科普中國

作者：Denovo團隊

監制：中國科普博覽

氧元素大家并不陌生，它幾乎可以與元素周期表上所有其他元素形成化合物。地球大氣中約有21%的氧氣，那大氣中的氧氣是從哪里來的呢？

或許這個問題連小學生都知道——光合作用唄，也就是由綠色植物、藻類和某些細菌將陽光、水和二氧化碳轉化為葡萄糖和氧氣過程。

那你想過沒有，將時間倒退回幾十億年前的地球，那時地球上的氧氣又是從哪里來的呢？最早期的氧氣也是由光合作用產生的嗎？

大氣中的氧氣

（圖片來源：Veer圖庫）

大氧化事件：地球的呼吸之源

在大約在45.7億年前，太陽在銀河系中一個不起眼的角落里形成，太陽形成后剩下的物質凝聚成了我們太陽系的其余部分，當然包括在大約45.5億年前誕生的地球。

自地球形成后到現在的45.5億年，大約有一半的時間里，這顆星球上幾乎沒有氧氣或氧氣非常稀薄。直到大約24億年前，大氣中氧氣的濃度顯著增加，大氧化事件（Great Oxidation Event，GOE）發生了。在這一時期，大氣氧氣濃度增加化對地球上的生命和環境產生了深遠影響。

就在大氧化事件的前2-3億年，地球大氣中的氧氣極為稀薄。一部分研究認為，藍細菌等早期微生物通過光合作用將太陽能轉化為化學能，同時將氧氣作為副產品釋放到水體中。隨著時間的推移，這些氧氣逐漸積累，并最終進入大氣層。

25億年前至20億年前地球化學數據及地質記錄匯總

棕色區域代表的是傳統意義上的“大氧化事件”（圖片來源：參考文獻[1]）

氧氣進入大氣后，對當時的生物和地質環境產生了深遠的影響。對許多原始無氧呼吸的生物來說，氧氣是有毒的，導致了大量生物的滅絕。與此同時，氧氣與大氣和海洋中的化合物反應，形成了新的地質結構，例如赤鐵礦層。

盡管氧氣導致了許多生物的滅絕，但它也為新的、更復雜的生命形式鋪平了道路。有了氧氣，一些生物演化出了利用氧氣生活的新方式，從而形成了更復雜的生態系統。

大氧化事件不僅改變了地球的生物和地質環境，還為科學家們提供了探索地球早期歷史和生命起源的重要線索。

地球物種的多樣性（圖片來源：Veer圖庫）

氧氣增加的原因之一：原來是鎳！

當然，還有很多其他科學研究也為大氧化事件提供了線索。早在2009年，一篇發表在《自然》雜志上的論文推測了大氣中氧氣濃度增加的一個原因。

研究人員分析了數十個地點內沉積巖中的微量元素，發現原始海洋中的鎳含量是目前水體的 400 倍。早期地球的海洋中有很多可以產生甲烷氣體的微生物，這些產甲烷的微生物喜歡富含鎳的水生長和繁殖，并會向大氣中釋放大量的甲烷氣體，推測甲烷氣體阻止了氧氣積聚。

甲烷分子結構圖（圖片來源：中國科學院）

科學家對巖石進行測試后發現，大約24 億年前，可能是因為地幔的冷卻和凝固，導致海洋溶解的鎳逐漸析出。由于海洋中鎳的減少，依賴鎳生活的產甲烷菌也無法生存，并為藻類和其他在光合作用過程中釋放氧氣的生命形式留下空間。這對大氧化事件提供了另一個可信的解釋。

火山活動：地球氧氣的又一猜想

一篇在2021年發表于《美國科學院院報》的文章，主要探討了地球大氣中氧氣出現的早期階段，特別是在大氧化事件前發生的 “小型”氧氣增加現象，研究人員推測這一早期的氧氣增加可能是由火山活動觸發的。

火山活動（圖片來源：Veer圖庫）

研究人員通過分析來自西澳大利亞的地層鉆芯，找到了與火山活動相關的汞的富集和氧化風化的跡象。這些證據支持了火山活動在這一早期氧氣增加中起到了關鍵作用的假設。

火山活動會產生富含營養的熔巖和火山灰，這些物質經風化后釋放到河流和其他水源。例如，大量玄武巖地殼的風化會釋放出含磷基礎營養物質，促進了藍細菌和其他單細胞生物的繁殖，從而產生了更多的氧氣。研究人員推測，火山活動還能通過與火山氣體的反應為大氣中的氧提供一個長期的消耗途徑。

藍細菌（藍藻）（圖片來源：Veer圖庫）

氧氣增加是由于氧氣產量的增加，而不是由于氧氣被巖石或其他非生物過程消耗的減少。這一點對于理解復雜生命演化有重要意義。

二氧化硫光解：非生物產氧的新途徑

那么在藍藻產生并開始釋放氧氣之前，地球上難道一丁點氧氣都沒有嗎？如果有一丁點的話，氧氣是哪里來的呢？

近日，中國科學院的科學家們在《化學科學》雜志上發表了一篇論文，發現二氧化硫分子光解可產生硫原子和氧氣，為地球早期大氣中氧氣的來源提供了新途徑。

科學家們利用世界上最亮且波長完全可調的極紫外自由電子激光光源——大連光源，將其波長范圍調整在120至160 納米之間，直接將二氧化硫解離生成了硫原子和氧氣。

大連光源裝置（圖片來源：中國科學院）

由于光子本身帶有能量，波長越短，光子的能量就越高。在實驗中他們還發現，當波長為121.6納米時，產率可達到約30%。該過程是繼二氧化碳和水分子光化學產氧之后新發現的非生物產氧途徑。

二氧化硫光解示意圖（圖片來源：中國科學院）

現在問題又出現了，為什么科學家們要選擇121.6納米呢？

這是因為121.6納米的Lyman-α線的波長，是氫原子光譜中的一個特定波長。氫是宇宙中最豐富的元素，Lyman-α輻射在許多天文現象和恒星活動中都非常常見。在恒星，尤其是年輕、活躍和高溫的恒星中，真空紫外線輻射是一個重要的能量輸出渠道。

在這些恒星的真空紫外線輻射中，Lyman-α線通常是最強最為豐富的一條光譜線，這一特性使Lyman-α成為了研究恒星活動、星際介質、以及行星大氣等多個領域的有用工具。

地球太古晚期的火山噴發釋放出二氧化硫氣體，隨后大量的二氧化硫氣體進入大氣層，研究人員推測在光照下二氧化硫光解產生出了氧氣。這意味著二氧化硫的真空紫外線光解作用可能為地球原始大氣中的氧氣來源提供了一個新的重要途經。

結語

地球及其物質的起源與演化是一個復雜而奇妙的過程，盡管氧氣在日常生活的每分每秒都伴隨著我們，但它的來源與產生仍是一個有待繼續揭開的謎題。物質世界紛繁復雜，也正是這些不斷探索的過程，才讓人類領略到了自然界的真正魅力。

參考文獻：

[1]Poulton, S. , Bekker, A. , Cumming, V. , Zerkle, A. , Canfield, D. , & Johnston, D. . (2021).A 200-million-year delay in permanent atmospheric oxygenation. Nature, 592(7853), 232-236.

[2]Farquhar, James, Huiming Bao, and Mark Thiemens. "Atmospheric influence of Earth's earliest sulfur cycle." Science 289.5480 (2000): 756-758.

[3]Konhauser, Kurt O., et al. "Oceanic nickel depletion and a methanogen famine before the Great Oxidation Event." Nature 458.7239 (2009): 750-753.

[4]Meixnerová, Jana, et al. "Mercury abundance and isotopic composition indicate subaerial volcanism prior to the end-Archean “whiff” of oxygen." Proceedings of the National Academy of Sciences 118.33 (2021): e2107511118.

[5]Lu, Zhou, et al. "Evidence for direct molecular oxygen production in CO2 photodissociation." Science 346.6205 (2014): 61-64.

[6]Chang, Yao, et al. "Vacuum ultraviolet photodissociation of sulfur dioxide and its implications for oxygen production in the early Earth's atmosphere." Chemical Science (2023).

來源: 中國科普博覽

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