研究表明，早期地球極度缺氧。事實上，在地球近46億年歷史的近一半時間里，可供呼吸的游離氧分子含量還不到目前大氣氧含量的0.001%！

占現(xiàn)代大氣21%的氧氣，是通過一系列氧化事件慢慢積累起來的（點擊這里詳細解釋氧氣從哪里來我的生命是氧氣給的，是誰給的？）。地球上發(fā)生了兩次重大的氧化事件，我們稱之為大氧化事件。特別是在5.8億至5.2億年前之間，早期地球大氣和海洋中的氧氣含量迅速增加，這要歸功于一種名為——蒸發(fā)巖的石頭。

早期地球環(huán)境（圖片來源：南京古生物研究所）

9月2日，中國和英國科學家在《自然地球科學》《自然-地球科學》上發(fā)表論文。他們認為大規(guī)模造山運動將大量蒸發(fā)巖引入海洋。蒸發(fā)巖在海洋中充當氧化劑，在寒武紀大爆發(fā)之前造成大范圍的缺氧。深海被氧化，導致大氣和海洋中的氧含量迅速增加，為這一時期地球上大型、復雜、多細胞生命的快速進化奠定了基礎條件。

藍藻：雖然它們在努力產(chǎn)生氧氣，但它們也在不斷消耗氧氣

第一次大氧化事件發(fā)生在大約24 億年前。由于原核生物長期勤奮的光合作用，產(chǎn)生的氧氣最終消耗了地球早期存在的大量還原性物質(zhì)，還清了祖先留下的債務，開始了氧氣的原始積累，使得地球上的氧氣現(xiàn)代大氣中的氧氣含量達到1%，導致地球上首次出現(xiàn)真核生物。

然而，大氣中的氧含量在十億多年的時間里并沒有進一步增加，甚至低于第一次大氧化事件期間的水平，從而阻礙了多細胞真核生物的進化。

地質(zhì)歷史時期的大氣氧含量水平（圖片修改自Poulton 等人，2017 年，《自然地球科學》）

關(guān)于前寒武紀海洋中氧含量為何長期很低的問題，學術(shù)界目前有一個理論模型，即有機碳庫模型。該模型認為，前寒武紀海洋表面的透光帶進行光合作用的微生物主要是原核生物（藍細菌）。這些微生物死亡后的有機物很容易被氧化降解，并在海水中不斷積累，消耗海水中大量的氧氣，導致海水缺氧。也就是說，前寒武紀海洋中存在著巨大的有機碳庫，阻礙了海洋和大氣中氧含量的增加。

元古代海洋示意圖（圖片來源：南京古生物研究所）

前寒武紀缺氧的海洋就像一個巨大的現(xiàn)代沼澤池。水體中大量的腐殖質(zhì)有機物不斷消耗氧氣，因而水體渾濁缺氧。只有當這片渾濁缺氧的海洋被氧化時，大氣和海洋的含氧量才會增加。

藍藻水華會消耗水中大量氧氣，導致動物缺氧死亡，與這個過程有些類似（圖片來源：光明網(wǎng)）

打破氧氣生產(chǎn)-消耗死亡循環(huán)？

直到大約5.8億至5.2億年前，地球上才發(fā)生了第二次大氧化事件。大氣中的氧氣含量增加到現(xiàn)代大氣中氧氣含量的60%以上。海洋也被完全氧化，產(chǎn)生了多細胞真核生物。大輻射、動物的快速起源和寒武紀大爆發(fā)。

不久前，2019年5月6日，中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所朱茂炎研究員和倫敦大學學院Graham Shields教授領(lǐng)導的中英國際合作團隊在：010上發(fā)表了論文—— 30000，證明動物在大約5.2年前數(shù)十億年前的周期性快速輻射演化（寒武紀爆發(fā)）是受大氣和海洋中氧氣含量控制的。然而，這項研究并沒有回答什么控制大氣和海洋中氧氣水平變化的問題。

西伯利亞寒武紀早期碳、硫同位素和產(chǎn)氧量的變化與動物多樣性的關(guān)系，表明該時期生物多樣性和氧含量同時發(fā)生變化（圖片來源：南京古生物研究所）

渾濁缺氧的前寒武紀海洋是如何變得清澈且富含氧氣的？目前流行的假說是生物體與環(huán)境的共同進化模型。

該模型認為，當海水中的含氧量達到海綿等原始動物生存的最低要求時，它們一旦出現(xiàn)，就會捕食海水中的懸浮有機物，加速海水中有機物的消耗和埋藏，減少消耗海水中的氧氣，最終導致海洋和大氣中的氧氣增加。隨著含氧量的增加，微型浮游動物和復雜動物的出現(xiàn)，形成復雜的食物網(wǎng)，消耗海水中大量的有機物，以大型動物糞便和尸體的形式進入沉積物，大大提高了有機物的效率。事葬。動物進化與增氧之間形成正反饋機制。

寒武紀澄江生物群（圖片來源：南京古生物研究所）

理論上，這種正反饋機制最終會表現(xiàn)為氧氣增加的線性加速。但這與5.8億至5.2億年前大氣和海洋含氧量多次大規(guī)模波動以及生物發(fā)生階段性輻射演化的實際情況不符！

添加蒸發(fā)石

打破平衡的關(guān)鍵

在《自然-地球科學》發(fā)表的最新研究中，朱茂炎等中英合作團隊分析了過去9億年來全球海水碳酸鹽的碳同位素（13C）演化，發(fā)現(xiàn)前寒武紀海洋有機碳儲層顯著減少距今5.7億年后，表明這一時期深海已經(jīng)開始氧化。直接證據(jù)是，在9億至5.4億年前的前寒武紀晚期，海水中的碳同位素（13C）值經(jīng)歷了多次巨大的負異常變化。這種現(xiàn)象在寒武紀大爆發(fā)之后就完全消失了。消失。其中，5.7億年前發(fā)生的一次負碳同位素（13C）異常事件是地球歷史上規(guī)模最大的一次。

距今9億年前的海水碳同位素（13C）記錄（圖片來源：南京古生物研究所）

研究小組提出了一個新的地球系統(tǒng)模型來解釋這一現(xiàn)象。他們認為，大約在5.7億年前，地球上的各大大陸合并形成了岡瓦納超大陸和位于超大陸內(nèi)部的超中央造山帶，風化剝蝕了大約8億年前沉積的大量蒸發(fā)巖礦物。進入海洋。

岡瓦納超大陸（圖片來源：Zhao et al. 2018, Earth-Science Review）

富含硫酸鹽的蒸發(fā)巖是一種氧化劑，可以通過硫酸鹽還原菌氧化海水中的有機物，形成黃鐵礦埋藏在沉積物中，導致當時海洋中的有機碳庫迅速減少。同時，海洋中有機碳快速氧化，向大氣中釋放大量二氧化碳，進一步引起大氣升溫，加強陸地風化和蒸發(fā)物輸入海洋，進一步氧化海洋中有機碳庫，形成海洋正氧化過程。這種反饋機制導致大氣和海洋中的氧氣迅速增加。

海洋有機碳庫蒸發(fā)巖風化與氧化正反饋模型圖蒸發(fā)巖中的硫酸鹽是地球氧化劑的電池。

有機物氧化后，碳同位素較輕的無機碳會釋放到海水中。其結(jié)果是海水中的碳同位素（13C）值變得越來越輕。這一變化記錄在這一時期沉積的巖石中。在岡瓦納大陸形成之前，全球大量蒸發(fā)巖沉積的記錄也支持了這一模型。

科研人員考察巴基斯坦鹽嶺地區(qū)，這里發(fā)育一套極厚的前寒武紀-寒武紀蒸發(fā)巖礦床（圖片來源：南京古生物研究所）

此外，通過數(shù)學模型計算，海洋有機碳庫氧化所需的蒸發(fā)巖輸入海洋通量相當于新生代青藏高原隆升后輸入海洋的蒸發(fā)巖通量，支持了新模型的合理性。

這個新模型也更加符合這一時期生物體的階段輻射演化模型。與傳統(tǒng)的生物與環(huán)境共同進化模型不同，新模型強調(diào)地球內(nèi)部過程引起的巖石圈運動是地球表面系統(tǒng)發(fā)生革命性變化的原始驅(qū)動力。

新模型不僅驗證了前寒武紀海洋存在巨大有機碳庫的假說，而且為海洋巨大有機碳庫的變化控制了多個大規(guī)模冰川作用的發(fā)生的假說提供了支持。地球處于前寒武紀末期。因為如果海洋中巨大的有機碳庫不被氧化，大氣中的二氧化碳就會不斷減少，氣候就會變得越來越冷。構(gòu)造驅(qū)動的海洋有機碳庫氧化向大氣中釋放大量二氧化碳，氣候變得越來越溫暖。

雪球地球過程（圖片來源：Sustainability Corps）

正是由于海洋的氧化，海洋中的有機碳庫變得越來越小，其對氣候的調(diào)節(jié)作用也越來越弱。因此，寒武紀之后的地球從來沒有出現(xiàn)過類似于前寒武紀的雪球。像地球上那樣的極端冰河時代氣候事件。