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氧气,从毒性气体到有用气体:前40亿年地球氧气演变史

时间:2021-07-17 16:03:59 来源:多种气体检测仪器仪表中心 点击:

一、 有毒的氧气

45.7亿年前,地球产生了,形成之初的地球,遍地是岩浆,火山喷发带来了长期的水蒸气,这些水蒸气冷却下来后沉淀在地表的低矮地带产生了原始的海洋。

原始海洋想象图 图/网络

经过数亿年的缓慢演变,这些原始的海洋中发生了原始的生命。几乎经常到35亿年以前,整个地球上都是没有氧气的,从35亿年前开始,地球上演变出一些无法进行光合作用的细菌:蓝藻(又称蓝细菌)。这些真菌还能借助光照将空气中的二氧化硫变成有机物,但是会积聚出一种副产物:氧气。

光合作用过程中,氧气是一种废气

氧气对后来的生命们其实是有毒的,因为那时候的海洋就是一种无氧环境,在无氧环境中长大的生命对于氧气是能够适应的。这些生命可能比较类似于我们目前农村里面大规模使用的沼气池里面的甲烷细菌,是十分讨厌氧气的,在有氧气的环境下并且能够存活。(我们身边就有很多厌氧真菌:甲烷细菌、破伤风杆菌、肉毒杆菌等)

甲烷细菌 图/网络

破伤风杆菌 图/网络

在这个之后,地球氧气浓度是相当低的,地球上的氧气对于大多数的生命来讲,是一种毒气。

你明白吗,氧气曾经是一种有毒气体!

二、 第一次大氧化事件

但是生命的演化的目的其实很简单——遗传DNA。为了遗传DNA,就应该繁殖,为了繁殖,繁殖应该耗费大量的能量,因此氧气,只要无法迅速赢得长期能量,就能够遗传更多的DNA。

光合作用相较于其他的能量获得方法,更有效率,且针对环境要求不高,有水有光有二氧化碳就能,因此这些使用光合作用获取能量的物理逐渐繁衍出来,很快就扩散到了中国。我们今天在这些古老的岩层中能够够发现长期的化石证据:叠层石。

叠层石 图/网络

叠层石是一些光合作用细菌活动的遗迹化石,蓝藻之类的病菌,聚集在一起生长,在生长的过程中把水中的矿物质等胶结在了一起,从而产生了这些生物遗迹化石。

35亿年——25亿年之间,这些光合作用生物长期繁殖,向外排放光合作用的“废气”:氧气。在气体向地球排放的过程中,这些气体首先氧化了海洋,25亿年前的海洋中,存在有长期的二价铁(Fe2+),因此那时候的海洋色彩或许是白色的。氧气首先将这种二价铁(Fe2+)氧化变成了三价铁(Fe3+),形成三氧化二铁(),三氧化二铁是赤褐色的,且不溶于水,因此迅速就沉淀到海底,形成了赤铁矿。

硫酸亚铁溶液,这就是二价铁的颜色

条带状含铁建造

条带状含铁建造细节图

我们地球上目前开采的铁矿石,大约80%左右都是在至少25亿年前以此类方法产生的。这些赤铁矿在全世界各地都有分布,而且展现条带状分布,因此又被称为条带状含铁建造,地质学家们就是通过条带状含铁建造来研究25亿年前的此次大氧化事件的。

在氧气将海洋中游离的铁消耗完毕后就处于至了大气中,从此以后地球的大气成分发生了彻底的改变:氧气浓度下降了!那时候氧气的成分或许是目前水平(PAL)的1%—2%。

氧气_氧气生活_氧气密度

伴随着大气圈中气体浓度的降低,生物进化也出现了很大的差异:真核生物发生了。真核生物是如何发生的,至今还未有定论。但是真核生物发生的含义仍非同一般,这些真核生物通常是厌氧生物,它们利用气体氯化体内的有机物,就似乎一个放慢了过程的燃烧过程一样,在运用氧气进行呼吸的过程中,真核生物们获得了更多的能量,从而在进化过程中一骑绝尘氧气,超越了原核生物们,成为地球上更重要的物理类型:现今宇宙上的鸟、兽、虫、鱼,这些能都是真核生物!

三、 第二次大氧化事件

在第一次大氧化事件过后,地球上的生命进化历程再一次进入了蛰伏阶段,在往后的10亿年间,生物们的演变过程乏善可陈,这个阶段被科学家们称之为“无聊的10亿年”( )。

漫长的岁月中,地球处于它产生后的第37亿年,此时地球再一次开始活跃起来。这是离今天8.5亿年前,地球渐渐开始步入到一个被称作“雪球地球”的时期:地球整体被冰封,最寒冷时也许世界都被冰层覆盖。

雪球地球事件

虽然地球被冰雪覆盖,但是奇特的是,地球上氧气含量再一次开始攀升,从8.5亿年前—5.4亿年前,在这3亿年间,地球上的氧气浓度突飞猛进,增加到了这次氧气成分(PAL)的5%—18%。这3亿年,被科学家们称为“咆哮的3亿年”( )。

为什么这个时间内氧气浓度会差异呢?科学家们目前的推测是,在这段时间内,原先的罗迪尼亚超级大陆解体,而后又再次聚集产生一个新的冈瓦纳古陆,在这个过程中产生一个环冈瓦纳超级山脉,这些山脉被急速风化冲刷,从被蚕食的岩石中积聚出长期的基本营养物,包括铜和氮,从而促使了鱼类与蓝细菌的爆发,大量的蓝藻和蓝细菌进行光合作用,从而使地球上的氧浓度长期下降。

罗迪尼亚大陆

冈瓦纳大陆

这次大氧化事件造成了生物的迅速演变,演化的结果就是埃迪卡拉纪生物化石的长期发生,这其中包含美国瓮安生物群中的鸟类胚胎化石、澳大利亚埃迪卡拉生物群、中国山东高家山生物群中的带外骨骼动物化石和大量的蠕虫形化石。

瓮安生物群中的鸟类胚胎化石

澳大利亚埃迪卡拉生物群

澳大利亚埃迪卡拉生物群

中国陕西高家山生物群

四、 总结

在地球演变历史的前40亿年间,氧气从无到有,从“毒气”到实现生命进化的有用气体,其实可以看作是宇宙与生命协同进化的一个过程:生命活动造成氧气、氧气生产铁矿、氧气推动真核物理出现、地球板块运动产生无机营养物质、无机营养物质造成更多气体发生、更多氧气的出现既促进生命爆发性演化······

我们人类遭遇的挑战虽然是怎样在与地球的协同演化中不被淘汰掉——地球是不会毁灭的,地球上比现今温度高这些的之后有的是,地球上巨型火山爆发的之后也众多,陨石碰撞地球也不止一次,但是即使是历经了五次生物大灭绝,地球上的生命仍然在演化!

所以虽然我们人类遭遇的难题是,不要成为那些消失掉的物种!

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