舊金山——也許地球上氧氣上升的觸發因素並不特別。 也許這種氧化不需要大的構造轉變或陸地植物的演化。 新的研究表明，相反，二氧化碳、氧氣和磷在地球大氣層、海洋、岩石和最簡單的光合作用生命形式之間的循環足以產生地球歷史上發生的大氣氣體的巨大變化。
「我們看到的[氧]轉變是由地球的營養循環驅動的，」英國利茲大學的生物地球化學家和電腦建模師本傑明米爾斯說。介紹了研究12月10日在美國地球物理聯合會年會上。 由利茲地質學家劉易斯·奧爾科特領導的研究結果也線上發布12月10日於科學。
早期地球的大氣層是水蒸氣、二氧化碳、氨、硫化氫和甲烷的蒸氣混合物。 然後，大約 24 億年前，大氣中的氧氣突然激增，這種激增被稱為「氧氣激增」。大氧化事件(序號：2/6/17）。 又過了十億年左右，又兩次大的氧氣脈衝進入大氣層。 其中一個被稱為新元古代氧化事件，發生在大約 8 億至 5.4 億年前，使氧氣水平降至現代水平的 10% 至 50% 以內，並氧化了表層海洋。 大約 4.5 億至 4 億年前，在一次被稱為古生代氧化事件的最後一次脈衝期間，大氣中的氧氣上升到現代水平，並滲透到深海。
如此戲劇性的脈衝需要一個解釋。 研究人員考慮了超級大陸的形成、山脈的隆起和風化以及被稱為大型火成岩省的廣闊熔岩區噴發等地質構造。 這種想法認為，這樣的過程可能會在短時間內將大量營養物質輸送到海洋中，導致藻類突然大量繁殖，從而改變世界。 其他研究人員提出，這三個逐步增加對應於三大演化進展：光合作用藻類的興起、這些藻類的繁盛和多樣化以及陸地植物的興起。
「對於可能導致這些逐步事件的事情，你有很多想法，」米爾斯說。 “但你們沒有達成共識，甚至不知道它們是否真的有必要。” 相反，新的研究表明，地球的簡單生物地球化學循環——長期循環利用碳、氧氣和磷－最終足以提高地球的氧氣水平（序號：2019 年 10 月 1 日）。
研究人員首先建立了一個簡單的電腦模型來考慮碳、氧和磷如何在地球上的儲層之間移動並相互作用。
磷僅存在於岩石中，是微生物、藻類和植物等生物的關鍵營養物質。 將風化岩石中的磷添加到海水中可以驅動水體中的微生物或藻類活動。 這會從水中吸出氧氣，使水體缺氧或缺氧，並從下面的沉積物中吸出更多的氧氣。 最終，這導致更多的有機碳被埋在土壤中，並產生更多的氧氣，直到化學物質再次翻轉，水變得富含氧氣。 然後氧氣可以從水中逸出到大氣中。
行星的緩慢冷卻也導致氧氣開始積聚。 早期地球的大氣層不適合讓氧氣留在周圍：隨著地球冷卻，從地函逸出的氣體導致一種稱為還原的化學狀態，在這種狀態下，氧氣透過化學反應迅速從大氣中去除。
但到了大氧化事件時，氣氛已經變得不那麼還原了。 米爾斯說，目前尚不清楚，這是未來研究的領域。 冷卻的地球可能排放了更少的氣體，或者這些氣體的化學性質可能發生了變化，使它們不太可能去除氧氣（序號：2019 年 9 月 3 日）。
研究人員對這些不同的輸入和輸出進行了模擬，並運行該模型數十億年，以觀察大氣和海洋的氧氣水平如何因這些因素而隨時間變化。 米爾斯說，結果與利用岩石記錄重建的地球含氧量的實際記錄非常相似。 「我們的結論是不需要發生大型構造或生物事件，」他說。 這表明“建立一個高氧世界可能不需要複雜的生命…” 如果你只有簡單的光合細菌，就像已經在地球上存在了 30 億年的細菌一樣，你就可以達到現代的 [氧氣]水平。
在這項研究之前，沒有人試圖重建地球漫長的氧化歷史，其中包括磷的平行歷史——儘管有“經驗提示表明它們之間存在聯繫”，耶魯大學地球化學家諾亞·普拉納夫斯基(Noah Planavsky)說，他沒有參與這項新研究。 「我們知道地球大氣中的氧氣與生物圈密切相關，」他說，但一直缺乏重建這些循環在地球歷史中如何相互作用的資訊。
儘管如此，一些研究人員仍然擔心，忽略構造作用等可能會導致過度簡化。 「當然，這些生物地球化學系統很重要。 但在古元古代和新元古代，如果你願意的話，我們可以看到驅動和維持氧氣產生的力量的交響樂，」瑞典隆德大學的地質學家阿什利·古姆斯利（Ashley Gumsley）說。 “其中包括超級大陸的組裝和分裂，以及……巨大的火成岩省、化學風化以及全球冰川作用，所有這些都共同作用。”
米爾斯承認，這些事件可能仍然在地球上氧氣的演化中發揮了作用。 「所有這一切的關鍵在於，是的，這些事件發生了，並且可能導致氧氣發生巨大變化，」他說。 但該團隊的模型表明「我們不需要它們」。
加州大學聖克魯斯分校的天體生物學家和行星科學家約書亞·克里斯桑森-托頓（Joshua Krissansen-Totton）並沒有參與這項研究，他說，這一結論對於在其他行星上尋找生命的研究人員來說可能是個好消息。 「這篇論文最令人興奮的是，」他說，「它消除了對[觸發]事件的需要」或複雜的光合作用生物體（如陸地植物）。
