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以下的Ga意思是十億年前

偉大氧化事件/Great Oxygenation Event(2400 Mya)

偉大氧化事件(以下簡稱為GOE), 有時(shí)也稱為大氧化事件、氧氣災(zāi)難、氧氣危機(jī)、氧氣大屠殺, 是地球大氣層和淺海經(jīng)歷氧氣上升的時(shí)期，大約在24億年前(2.4 Ga)到古元古代時(shí)期的2.1–2.0 Ga. 地質(zhì), 同位素和化學(xué)證據(jù)表明, 生物誘導(dǎo)的分子氧(dioxygen, O2)開始在地球大氣層中積累，並將地球大氣層從弱還原性大氣變?yōu)檠趸源髿? 幾乎導(dǎo)致了所有生命地球滅絕. 產(chǎn)生氧氣的藍(lán)菌門/Cyanobacteria生物(俗稱藍(lán)綠藻)引起了這一事件, 該事件使得隨後的多細(xì)胞形式得以發(fā)展.

氧氣積累

氧積累的時(shí)間順序表明, 游離氧首先由原核生物/Pfrokaryotic產(chǎn)生, 然後由海洋中的真核生物/Eukaryotic產(chǎn)生. 與產(chǎn)生氧氣作為廢物. 在一種解釋中, 最早的產(chǎn)氧藍(lán)菌門/Cyanobacteria生物可能是在GOE之前出現(xiàn)的, 從2.7–2.4 Ga甚至更早出現(xiàn)了.但是, 氧的光合作用也會(huì)產(chǎn)生必須與氧隔離的有機(jī)碳, 以使氧在表面環(huán)境中積聚, 否則氧會(huì)與有機(jī)碳發(fā)生反作用而不會(huì)積聚. 埋藏有機(jī)碳, 硫化物和含亞鐵(Fe 2+)的礦物質(zhì)是氧氣積累的主要因素.例如, 當(dāng)有機(jī)碳被掩埋而不被氧化時(shí), 氧氣被留在大氣中. 總的來說, 今天埋葬的有機(jī)碳和黃鐵礦每年總共產(chǎn)生15.8±3.3 T mol {{{{1}}} O2. 這會(huì)從整體氧氣源中產(chǎn)生淨(jìng)O2通量.

氧氣的變化速率可以通過總的源和匯之間的差異來計(jì)算. 氧氣匯包括還原來自火山, 變質(zhì)作用和風(fēng)化的氣體和礦物質(zhì). 在這些氧沉通量和還原氣體通量被掩埋還原劑(如有機(jī)碳)相關(guān)的O2通量超過後, GOE開始了. 對於風(fēng)化機(jī)理, 今天每年有12.0±3.3 T mol的O2進(jìn)入?yún)R池, 匯池的減少來自火山的礦物質(zhì)和氣體, 變質(zhì), 滲透海水和海底散熱孔組成. 另一方面, 今天每年5.7±1.2 T mol的O 2通過光化學(xué)反應(yīng)氧化大氣中的還原性氣體. 在早期地球上, 大陸的氧化風(fēng)化作用非常小(例如, 缺乏紅床 ) ,因此與減少海洋中的氣體和溶解的鐵相比, 氧的風(fēng)化作用可以忽略不計(jì).

海洋中溶解的鐵是O2彙的例證. 這段時(shí)間產(chǎn)生的游離氧被溶解的鐵化學(xué)捕獲, 轉(zhuǎn)化成鐵和磁鐵礦, 不溶於水，沉入淺海底部，形成帶狀鐵層，例如在西澳大利亞州明尼蘇達(dá)州和皮爾巴拉所發(fā)現(xiàn)的帶狀鐵層. 花了五千萬年或更長時(shí)間來耗盡氧氣池. 光合作用的速率和相關(guān)的有機(jī)埋葬速率也影響氧氣的積累速率. 當(dāng)陸地植物遍布泥盆紀(jì)大陸時(shí), 更多的有機(jī)碳被掩埋並可能導(dǎo)致更高的O 2含量. 如今, O2分子在被地質(zhì)水槽消耗之前在空氣中停留的平均時(shí)間約為200萬年. 與地質(zhì)時(shí)間相比, 停留時(shí)間相對較短-因此, 在顯生宙時(shí)代, 必須有反饋過程將大氣中的O2含量保持在適合動(dòng)物生命的範(fàn)圍內(nèi).

最終，氧氣開始在大氣中積累，產(chǎn)生了兩個(gè)主要後果。

• 首先, 有人提出將氧氣將大氣中的甲烷(一種強(qiáng)溫室氣體)氧化為二氧化碳(一種較弱的氣體 )和水. 這削弱了地球大氣的溫室效應(yīng), 導(dǎo)致了行星降溫, 據(jù)提議, 行星降溫引發(fā)了一系列被稱為休倫冰川的冰期, 其年齡範(fàn)圍為2.45–2.22 Ga. 在南非發(fā)現(xiàn)的第四次冰川事件是年齡為?2.22 Ga. 由於地質(zhì)證據(jù)表明冰在某些地區(qū)達(dá)到了海平面, 並且南非事件發(fā)生在低緯度地區(qū), 因此後者與所謂的"雪球地球"有關(guān) .

• 其次, 增加的氧氣濃度為生物多樣化提供了新的機(jī)會(huì), 也為巖石、沙子、粘土和其他地質(zhì)基質(zhì)與地球的空氣, 海洋和其他地表水之間的化學(xué)相互作用的性質(zhì)帶來了巨大變化. 儘管有機(jī)物可以自然循環(huán)利用, 但生命仍然受到能量的限制, 直到廣泛獲得氧氣為止. 代謝演化的這一突破極大地增加了生物體可利用的自由能, 並帶來了全球環(huán)境影響. 例如, 線粒體在GOE之後演化, 使生物體具有利用新的, 更複雜的形態(tài)在日益複雜的生態(tài)系統(tǒng)中相互作用的能量, 儘管這些直到晚期元古代和寒武紀(jì)才出現(xiàn).

地質(zhì)證據(jù)

大陸指標(biāo)

大陸指標(biāo) 古土壤, 碎屑和紅床是低氧的證據(jù). 年齡大於2.4 Ga的古土壤的鐵濃度低, 表明缺氧性風(fēng)化. 年齡大於2.4 Ga的碎屑顆粒也具有僅在低氧條件下存在的物質(zhì). 紅床是塗有赤鐵礦的紅色砂巖 , 表明存在足夠的氧氣來氧化鐵.

帶狀鐵形成(BIF)

在大約24億年前的大氧化事件發(fā)生時(shí), 地層很豐富, 在1,800 Mya之後變得稀少, 證據(jù)表明間歇性低水平的游離氧. 7.5億年前, 新的帶狀鐵層形成了, 可能與理論上的雪球地球有關(guān).

傳統(tǒng)的假設(shè)是, 由於光合作用藍(lán)菌門/Cyanobacteria生物釋放出氧氣, 海水中形成了帶狀鐵層. 然後, 氧氣與地球海洋中的溶解的鐵結(jié)合形成不溶的氧化鐵, 這些氧化鐵沉澱出來, 在海底形成一層薄薄的層, 這可能是缺氧的泥漿(形成頁巖和燧石). 每個(gè)帶都類似於閥門, 在一定程度上該帶被認(rèn)為是由於有效氧的周期性變化而產(chǎn)生的. 目前尚不清楚這些帶狀鐵礦石的形成是否是季節(jié)性的, 是由於海洋複雜系統(tǒng)中的一些反饋 振盪引起的, 還是遵循其他週期的. 假定地球最初是從溶解在世界酸性海洋中的大量鐵和鎳開始的. 當(dāng)光合作用生物產(chǎn)生氧氣時(shí), 地球海洋中可用的鐵以氧化鐵的形式沉澱出來. 在懷疑的臨界點(diǎn), 海洋被永久性地充氧, 制氧量的微小變化在地表水中產(chǎn)生了一段時(shí)間的游離氧, 並伴有氧化鐵的沉積.

鐵形態(tài)

鐵團(tuán)中的鐵質(zhì)和富餘狀態(tài)的濃度還可以提供大氣中氧水平的線索. 當(dāng)環(huán)境是缺氧環(huán)境時(shí), 總鐵質(zhì)中的鐵質(zhì)和安心性成分的比率低於在深海等缺氧環(huán)境中的比率. 假設(shè)之一表明, GOE在2.6–2.5 Ga時(shí)期之間, 海洋中的微生物已經(jīng)將淺水氧化. 深海沉積物中的高濃度鐵質(zhì)和富餘狀態(tài)顯示出與帶狀鐵形成的證據(jù).

同位素

考慮了兩種同位素分級分離: 質(zhì)量依賴性分級分離(MDF)和質(zhì)量非依賴性分級分離(MIF).MDF證據(jù)表明, 海洋沉積物中氧的積累的同位素, 例如碳、硫、氮、過渡金屬(鉻、鉬和鐵)和其他非金屬元素(硒). 例如, 水下形成的古老巖石沉積物中所含的鉻尖峰表明從大陸架上沖走了積累的鉻. 由於鉻不易溶解, 因此從巖石中釋放出來需要存在強(qiáng)酸, 例如硫酸(H2SO4), 這種強(qiáng)酸可能是通過與黃鐵礦的細(xì)菌反應(yīng)形成的.GOE的關(guān)鍵證據(jù)是硫同位素的MIF僅存在於缺氧大氣中, 在2.4–2.3 Ga之後才從沉積巖中消失. MIF僅存在於缺氧大氣中, 因?yàn)檠鯕?及其光化學(xué)產(chǎn)物, 臭氧層)會(huì)阻止了二氧化硫的光解. MIF沉澱過程目前尚不確定.

化石和生物標(biāo)誌物

基質(zhì)石提供了一些化石中氧的證據(jù), 並暗示氧來自光合作用. 在澳大利亞西部的皮爾巴拉(Pilbara)也發(fā)現(xiàn)了藍(lán)菌門/Cyanobacteria等生物標(biāo)誌物, 例如2α-甲基紫羅蘭. 但是, 此後已證明生物標(biāo)誌物數(shù)據(jù)已被污染, 因此不再接受結(jié)果.

其他指標(biāo)

海洋沉積物中的某些元素對環(huán)境中不同水平的氧氣敏感，例如過渡金屬鉬和錸. 硒和碘等非金屬元素也是氧氣水平的指標(biāo).

假設(shè)

從開始光合作用氧氣生產(chǎn)到大約25億至24億年前大氣中的地質(zhì)氧氣快速增長之間, 可能存在長達(dá)9億年的差距. 提出了一些假設(shè)來解釋這種時(shí)滯.

增加通量

有人認(rèn)為, GOE是由氧源增加引起的. ?一種假設(shè)認(rèn)為, GOE是光合作用的直接結(jié)果, 儘管大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為長期增加氧氣的可能性更大. 幾個(gè)模型結(jié)果顯示了長期增加碳埋藏的可能性, 但結(jié)論是不確定的.

塌陷性減少

與通量假說增加相反, 也有一些假說試圖用彙的減少來解釋GOE. 一種理論認(rèn)為, 來自火山氣體的揮發(fā)物的組成被更多地氧化. 另一理論認(rèn)為, 變質(zhì)氣體的減少和蛇紋石化是GOE的主要關(guān)鍵。 隨著時(shí)間的推移, 從變質(zhì)過程釋放的氫和甲烷也會(huì)從地球大氣中損失掉, 並使地殼被氧化. 科學(xué)家意識到, 氫氣將通過稱為甲烷光解的過程逸入太空, 其中甲烷在高層大氣中的紫外線的作用下分解並釋放出氫氣. 氫從地球逃逸到太空必須使地球氧化, 因?yàn)闅涞膿p失過程是化學(xué)氧化.

構(gòu)造觸發(fā)

一種假設(shè)表明, 氧氣的增加必須等待地球以技術(shù)驅(qū)動(dòng)的變化, 包括架子海的出現(xiàn), 在那裡還原的有機(jī)碳可以到達(dá)沉積物並被掩埋. 新產(chǎn)生的氧氣首先在海洋的各種化學(xué)反應(yīng)中被消耗, 主要是與鐵一起消耗. 在較老的巖石中發(fā)現(xiàn)了證據(jù), 這些巖石中含有大量帶狀鐵, 顯然是在這種鐵和氧首先結(jié)合後形成的. 目前大多數(shù)鐵礦石都位於這些礦床中. 假定從藍(lán)細(xì)菌釋放的氧氣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生鏽的化學(xué)反應(yīng), 但似乎鐵的形成是由不需要氧氣的產(chǎn)氧光養(yǎng)性鐵氧化細(xì)菌引起的. 有證據(jù)表明, 每當(dāng)較小的陸地碰撞形成一個(gè)超大陸時(shí), 氧氣含量就會(huì)上升. 構(gòu)造壓力推高了山脈, 這些山脈被侵蝕以將營養(yǎng)釋放到海洋中, 以養(yǎng)育光合作用的藍(lán)細(xì)菌.

鎳飢荒

早期的化學(xué)合成生物很可能產(chǎn)生甲烷, 這是分子氧的重要捕集器, 因?yàn)樵诖嬖谧贤饩€輻射的情況下, 甲烷很容易氧化為二氧化碳(CO 2)和水. 現(xiàn)代產(chǎn)甲烷菌需要鎳作為酶的輔助因子. 隨著地殼的冷卻和火山鎳的供應(yīng)減少, 產(chǎn)氧藻類的表現(xiàn)開始超過甲烷生產(chǎn)者, 並且大氣中的氧氣百分比穩(wěn)定增加. 從27億年前到24億年前, 鎳的沉積速率從如今的400倍穩(wěn)步下降.

雙穩(wěn)性

另一個(gè)假設(shè)提出了一個(gè)具有雙穩(wěn)性的大氣模型: 氧氣濃度的兩個(gè)穩(wěn)態(tài). 穩(wěn)定的低氧濃度(0.02％)處於較高的甲烷氧化速度. 如果某個(gè)事件將氧氣水平提高到超過中等閾值, 則臭氧層的形成會(huì)屏蔽紫外線並減少甲烷氧化, 使氧氣進(jìn)一步升高至21％或更高的穩(wěn)定狀態(tài). 大氧事件可以理解為從較低穩(wěn)態(tài)到較高穩(wěn)態(tài)的過渡.

在礦物多樣化中的作用

偉大的氧化事件觸發(fā)了礦物多樣性的爆炸性增長, 許多元素以一種或多種氧化形式出現(xiàn)在地球表面附近. 據(jù)估計(jì), GOE直接負(fù)責(zé)當(dāng)今地球上約4,500種礦物質(zhì)中的2,500種. 由於動(dòng)態(tài)地幔和地殼過程, 大多數(shù)這些新礦物以水合和氧化形式形成.

藍(lán)菌門/Cyanobacteria生物演化中的作用

在南極州弗萊克塞爾湖進(jìn)行的一項(xiàng)野外研究中, 研究人員發(fā)現(xiàn), 即使在厚冰下,在缺氧的環(huán)境中, 產(chǎn)氧藍(lán)菌門/Cyanobacteria生物也可以產(chǎn)生一層或兩毫米厚的氧化水. 因此, 在氧氣開始在大氣中積累之前, 這些生物可能已經(jīng)適應(yīng)了氧氣. 最終, 消耗氧氣的有氧生物的演化建立了氧氣供應(yīng)的平衡. 從那時(shí)起, 游離氧一直是大氣的重要組成部分.

真核生物/Eukaryotic的起源

已有人提出, 在古代的微環(huán)境中, 由於藍(lán)菌門/Cyanobacteria生物的光合作用引起的氧水平的局部升高對周圍的生物群具有高毒性, 並且這種選擇性壓力促使古菌域/Archaea生物譜係向第一批真核生物/Eukaryoti演化. 涉及活性氧物質(zhì)(ROS)產(chǎn)生的氧化應(yīng)激可能已與其他環(huán)境應(yīng)激(例如紫外線輻射和/或乾燥)協(xié)同作用, 以推動(dòng)早期古菌域/Archaea生物向真核生物/Eukaryotic演化的選擇. 該古菌域/Archaea生物祖先可能已經(jīng)具有基於DNA配對和重組的 DNA修復(fù)機(jī)制，並可能具有某種細(xì)胞融合機(jī)制. 內(nèi)部ROS(由共生菌內(nèi) 線粒體產(chǎn)生)對古菌域/Archaea生物基因組的有害影響可能從這些不起眼的開始就促進(jìn)了減數(shù)分裂性的演化. 有效的DNA修復(fù)氧化性DNA損傷的選擇性壓力可能已經(jīng)推動(dòng)了真核生物/Eukaryoti的演化, 涉及諸如細(xì)胞-細(xì)胞融合, 細(xì)胞骨架介導(dǎo)的染色體運(yùn)動(dòng)和核膜出現(xiàn)等特徵. 因此, 真核性的演化和真核發(fā)生可能是不可分割的過程, 其在很大程度上促進(jìn)了DNA修復(fù).