对大氧化事件时期的海洋页岩和同位素数据的研究揭示了地球早期大气和海洋中的动态氧波动，突出了这一关键进化阶段的长期性和复杂性。来源:SciTechDaily.com

　　根据最近的发现，地球的“大氧化事件”持续了2亿年。

　　新的研究强调了大氧化事件的复杂性，揭示了大气和海洋氧气的上升是一个持续超过2亿年的动态过程，受到生命进化关键的地质和生物因素的影响。

　　大氧化事件

　　大约25亿年前，游离氧(O2)首次开始在地球大气中积累到有意义的水平，为我们这个不断进化的星球上复杂生命的出现奠定了基础。

　　科学家将这种现象称为大氧化事件，简称GOE。但根据犹他大学地球化学家领导的一项新研究，地球上最初的氧气积累并不像这个名字所暗示的那样简单。

　　这一“事件”持续了至少2亿年。地质与地球物理系助理教授Chadlin Ostrander说，到目前为止，追踪海洋中氧气的积累一直非常困难。

　　“新出现的数据表明，地球大气中氧气最初的上升是动态的，断断续续地展开，直到2.2年。奥斯特兰德说，他是6月12日发表在《自然》杂志上的这项研究的主要作者。“我们的数据验证了这一假设，甚至通过将这些动态扩展到海洋中进一步验证了这一假设。”

　　

　　Chadlin奥斯特兰德。来源:Chad Ostrander，犹他大学

　　来自海洋页岩的见解

　　他的国际研究团队得到了美国国家航空航天局(NASA)太空生物学项目的支持，他们专注于南非德兰士瓦超级群(Transvaal Supergroup)的海洋页岩，从而对地球历史上这一关键时期的海洋氧化动力学有了深入的了解。通过分析稳定的铊(Tl)同位素比率和氧化还原敏感元素，他们发现了海洋氧气水平波动与大气氧气变化相吻合的证据。

　　这些发现有助于促进对地球历史上一个关键时期形成地球氧气水平的复杂过程的理解，这个过程为我们所知的生命进化铺平了道路。

　　了解早期海洋条件

　　“我们真的不知道海洋里发生了什么，地球上最早的生命形式可能是在那里起源和进化的，”奥斯特兰德说，他去年从马萨诸塞州的伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)加入了美国大学。“因此，了解海洋中的氧气含量以及随着时间的推移如何演变，对早期生命来说可能比大气更重要。”

　　这项研究建立在奥斯特兰德的合著者、英国利兹大学的西蒙·波尔顿和加州大学河滨分校的安德烈·贝克的工作基础上。在2021年的一项研究中，他们的科学家团队发现，直到全球氧合过程开始约2亿年之后，氧气才成为大气的永久组成部分，比之前认为的要晚得多。

　　大气和海洋氧气波动

　　在GOE之前的沉积记录中，存在罕见的、与质量无关的硫同位素特征，这是缺氧大气的“确凿证据”。地球上很少有过程能产生这些硫同位素特征，从已知的岩石记录来看，它们几乎肯定需要大气中没有氧气。

　　在地球存在的前一半时间里，它的大气和海洋基本上没有氧气。这种气体似乎是在GOE之前由海洋中的蓝藻产生的，但在早期，氧气在与暴露的矿物质和火山气体的反应中迅速被破坏。波尔顿、贝克和同事们发现，罕见的硫同位素特征消失了，但随后又重新出现，这表明在GOE期间，大气中的O2有多次上升和下降。这不是单一的“事件”。

　　地球氧化的挑战

　　“当氧气开始产生时，地球还没有准备好被氧化。地球需要时间来进行生物、地质和化学上的进化，以有利于氧化，”奥斯特兰德说。“这就像一个摇摇晃晃的人。你有氧气产生，但你有太多氧气破坏，什么都没有发生。我们仍在试图弄清楚什么时候我们已经完全扭转了天平，地球不可能回到缺氧的大气层。”

　　今天，按重量计算，氧气占大气的21%，仅次于氮气。但是在GOE之后，在数亿年的时间里，氧气在大气中只占很小的一部分。

　　先进同位素分析技术

　　为了追踪GOE期间海洋中氧气的存在，研究小组依靠奥斯特兰德在稳定铊同位素方面的专业知识。

　　同位素是同一元素的原子，但它们的中子数量不等，因此它们的重量略有不同。一种特定元素的同位素比例已经为考古学、地球化学和许多其他领域的发现提供了动力。

　　铊同位素和氧指示剂

　　质谱法的进步使科学家能够准确地分析元素周期表中越来越低的元素的同位素比率，比如铊。对Ostrander和他的团队来说幸运的是，铊同位素比率对海底氧化锰的埋藏很敏感，这一过程需要海水中的氧气。研究小组检查了最近显示的用稀有硫同位素追踪GOE期间大气O2波动的海洋页岩中的铊同位素。

　　在页岩中，Ostrander和他的团队发现了质量较轻的铊同位素(203Tl)的显著富集，这种模式最好的解释是海底氧化锰的埋藏，因此海水中氧气的积累。这些富集是在缺乏稀有硫同位素特征的相同样品中发现的，因此当大气不再缺氧时。锦上添花的是:当稀有的硫同位素特征回归时，203Tl的富集就会消失。这些发现得到了氧化还原敏感元素富集的证实，这是一种更经典的追踪古代氧气变化的工具。

　　“当硫同位素说大气被氧化时，铊同位素说海洋被氧化了。当硫同位素表明大气再次回到缺氧状态时，铊同位素表明海洋也是如此，”奥斯特兰德说。“所以大气和海洋一起变成了含氧和脱氧。对于那些对古代地球感兴趣的人来说，这是一个很酷的新信息。”