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中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所所長(zhǎng)、研究員****何宏平

氧氣，這一無(wú)色無(wú)味的氣體，不僅是地球生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的元素，更是支撐人類及眾多動(dòng)植物生命活動(dòng)的關(guān)鍵。現(xiàn)代地球上的氧氣主要來(lái)自于產(chǎn)氧光合作用，通過光合作用把二氧化碳和水合成有機(jī)物質(zhì)，同時(shí)釋放出氧氣。然而，關(guān)于地球上氧氣的起源，尤其是早期地球如何在無(wú)氧環(huán)境中逐步演化出能夠釋放氧氣的生物過程，一直是地質(zhì)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

回溯至24億年前的地球，那是一個(gè)沒有氧氣的世界。當(dāng)時(shí)的地球大氣主要由氫氣、硫化氫、甲烷等還原性氣體構(gòu)成，與如今富含氧氣的環(huán)境截然不同。早期生命依靠這些還原性氣體作為能量來(lái)源，進(jìn)行不產(chǎn)氧的光合作用，從而維持生命活動(dòng)。

隨著地質(zhì)年代的推進(jìn)，地球上逐漸出現(xiàn)了能夠釋放氧氣的生物——藍(lán)細(xì)菌（也稱藍(lán)藻）。然而，藍(lán)細(xì)菌的光合作用進(jìn)化需要一個(gè)氧化的環(huán)境，這與早期地球無(wú)氧的還原環(huán)境形成了悖論。為了解決這一悖論，科學(xué)家們提出了多種假設(shè)。其中一種認(rèn)為，在藍(lán)細(xì)菌進(jìn)化出光合作用之前，地球上可能存在局部氧化的環(huán)境，即所謂的“氧化的綠洲”。這些局部氧化的環(huán)境可能為藍(lán)細(xì)菌的進(jìn)化提供了必要的條件。

早期地球上這些局部氧化的環(huán)境是如何形成的呢？我們團(tuán)隊(duì)在研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，硅酸鹽礦物在機(jī)械外力的作用下，如海浪沖刷、物理風(fēng)化、隕石撞擊等，其硅氧鍵會(huì)斷裂，形成自由基。這些自由基能夠與水反應(yīng)，產(chǎn)生羥基自由基和過氧化氫等活性物質(zhì)。而過氧化氫在分解過程中會(huì)釋放出氧氣，從而逐漸改變周圍環(huán)境的氧化還原狀態(tài)。

這一發(fā)現(xiàn)不僅解釋了早期地球上局部氧化環(huán)境的形成機(jī)制，還為我們理解地球氧氣的起源提供了新的視角。

而且，過氧化氫不僅是地球氧氣起源的關(guān)鍵中間產(chǎn)物，還是早期生命中一種重要的氧化劑。在藍(lán)細(xì)菌進(jìn)化出光合作用之前，過氧化氫可能已經(jīng)在地球上存在，并參與到早期生命的代謝過程中。通過利用過氧化氫進(jìn)行代謝，早期生命逐漸適應(yīng)了氧化環(huán)境，為后來(lái)藍(lán)細(xì)菌的光合作用進(jìn)化奠定了基礎(chǔ)。

地質(zhì)記錄為我們提供了關(guān)于早期地球環(huán)境和生命演化的寶貴信息。在南非的一處古老地層中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了代表32億年前高能海岸帶環(huán)境的礦物組成和微生物化石。這些證據(jù)表明，當(dāng)時(shí)該地區(qū)已經(jīng)是一個(gè)局部氧化的環(huán)境，并可能孕育了早期藍(lán)細(xì)菌的祖先。這一發(fā)現(xiàn)不僅支持了過氧化氫作為早期地球重要氧化劑的假設(shè)，還進(jìn)一步揭示了地球氧氣起源和生命演化的密切聯(lián)系。

地球氧氣的起源與早期生命的演化是一個(gè)復(fù)雜而迷人的科學(xué)問題。通過地質(zhì)記錄、實(shí)驗(yàn)室模擬和跨學(xué)科研究等多種手段，我們正逐步揭開這一謎團(tuán)的面紗。未來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，我們有理由相信，人類將能夠更全面地理解地球生態(tài)系統(tǒng)的演化歷程，并為探索宇宙中的其他生命形式提供有力的科學(xué)支持。

作者：何宏平（中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所所長(zhǎng)、研究員）

整理：肖春芳

來(lái)源: 科學(xué)報(bào)國(guó)正當(dāng)時(shí)

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