一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，可居住外星世界的存在想法，一直是很多科幻家的題材。在19世紀(jì)，天文學(xué)家認(rèn)為火星人可能正在使用運(yùn)河交通線路穿越這顆紅色星球。

現(xiàn)在，盡管生活在一個(gè)科學(xué)家可以研究距離我們太陽(yáng)系數(shù)光年行星的時(shí)代，但大多數(shù)新研究表明繼續(xù)減少了找到人類(lèi)可能生活的其他星球的機(jī)會(huì)。最大的絆腳石可能是氧氣，人類(lèi)定居者需要一個(gè)高氧氣的大氣來(lái)呼吸。那么，我們是如何如此幸運(yùn)地在一個(gè)氧氣充足的地球上進(jìn)化的呢？

地球海洋和大氣的歷史表明，氧氣上升到今天的水平是相當(dāng)困難的。目前的共識(shí)是，地球經(jīng)歷了大氣和海洋含氧量的三步上升，第一次被稱(chēng)為“大氧化事件”，發(fā)生在大約24億年前。之后是大約8億年前的“新元古代氧合事件”，最后是大約4億年前的“古生代氧合事件”，當(dāng)時(shí)地球上的氧氣水平達(dá)到了現(xiàn)代峰值的21%。在這三個(gè)時(shí)期發(fā)生了什么來(lái)增加氧氣水平，這是一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。一種想法是，新的有機(jī)體對(duì)地球進(jìn)行了“生物工程”，通過(guò)它們的新陳代謝或生活方式來(lái)重組大氣和海洋。

例如，大約4億年前陸地植物的崛起，可能通過(guò)陸上光合作用增加了大氣中的氧氣，取代了海洋中的光合細(xì)菌，后者在地球歷史的大部分時(shí)間里，一直是主要的氧氣制造者。或者，板塊構(gòu)造變化或巨大的火山噴發(fā)也與地球氧合事件有關(guān)。這部以事件為基礎(chǔ)關(guān)于地球上氧氣是如何變得如此豐富的歷史暗示著，我們非常幸運(yùn)地生活在一個(gè)高氧氣的世界里。如果沒(méi)有發(fā)生一次火山噴發(fā)，或者某種有機(jī)體沒(méi)有進(jìn)化，那么氧氣可能會(huì)在低水平停滯。

磷，缺失的一環(huán)

最新研究表明，情況并非如此，我們創(chuàng)建了一個(gè)地球碳、氧和磷循環(huán)的計(jì)算機(jī)模型，發(fā)現(xiàn)氧轉(zhuǎn)變可以用地球內(nèi)在動(dòng)力學(xué)來(lái)解釋?zhuān)芸赡懿恍枰魏纹孥E事件。關(guān)于地球氧合理論中缺少的一樣?xùn)|西是磷，這種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)海洋中的光合細(xì)菌和藻類(lèi)非常重要，有多少海洋磷最終將控制地球上產(chǎn)生多少氧氣。這在今天仍然是正確的，自從大約30億年前光合作用微生物的進(jìn)化以來(lái)就是如此。海洋中的光合作用依賴(lài)于磷，但高磷酸鹽水平也通過(guò)一種稱(chēng)為富營(yíng)養(yǎng)化的過(guò)程推動(dòng)深海氧氣消耗。

當(dāng)光合微生物死亡時(shí)，它們會(huì)分解，這會(huì)消耗水中的氧氣，隨著氧氣水平的下降，沉積物往往會(huì)釋放出更多的磷。這個(gè)反饋回路能迅速除去氧氣，這意味著海洋中的氧氣水平能夠迅速變化，但它們?cè)陂L(zhǎng)時(shí)間尺度上被另一個(gè)涉及地幔的過(guò)程緩沖?？v觀地球歷史，火山活動(dòng)釋放出與大氣發(fā)生反應(yīng)并從大氣中除去氧氣的氣體。由于地幔冷卻，這些氣體流量隨著時(shí)間的推移已經(jīng)消退，計(jì)算機(jī)模型表明，隨著光合作用生命的最初演化，這種緩慢的減少，是產(chǎn)生一系列氧氣水平階躍變化增加所必需的。

這些階梯式增加與整個(gè)地球歷史上發(fā)生的氧氣三步上升有著明顯相似之處，該模型還支持我們目前對(duì)海洋氧合作用的理解，在海洋變得像今天這樣有彈性地氧合之前，海洋氧合作用似乎經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次的氧合和脫氧循環(huán)。所有這一切真正令人興奮的是，氧合模式可以被創(chuàng)造出來(lái)，而不需要困難和復(fù)雜的進(jìn)化飛躍，也不需要間接的災(zāi)難性火山或構(gòu)造事件。因此，一旦光合作用進(jìn)化，地球氧合作用似乎是不可避免的，而在其他地方存在高氧世界的可能性可能要高得多。

博科園｜文：Lewis Alcott and Benjamin J. W. Mills/The Conversation

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