空氣里有多少氧氣？大家都會說，21%！但是，很早很早以前，卻不是這樣的…… 

已有研究表明，早期地球是極端缺氧的。實際上，在地球?qū)⒔?6億年的歷史中，近一半的時間，可供呼吸的自由氧氣分子的含量，還不到現(xiàn)在大氣氧含量的0.001%！

占據(jù)現(xiàn)代大氣含量21%的氧氣，都是經(jīng)過一系列增氧事件慢慢積累起來的（點此詳解氧氣是從哪里來的→我這條命是氧氣給的 那氧氣是誰“給”的？）。地球上發(fā)生的比較顯著的增氧事件有兩次，我們稱之為大氧化事件。尤其是在距今5.8億—5.2億年前后，地球早期大氣和海洋中的氧氣含量發(fā)生了快速增加，這要歸功于一種“石頭”——蒸發(fā)巖。

早期地球環(huán)境（圖片來源：南京古生物所）

9月2日，中英兩國科學家在《自然-地球科學》（Nature Geoscience）發(fā)表論文，認為大規(guī)模造山運動將大量蒸發(fā)巖輸入海洋，蒸發(fā)巖作為大洋的氧化劑，使得寒武紀大爆發(fā)之前普遍缺氧的深部大洋得以氧化，從而導致大氣和海洋中氧氣含量快速增加，為該時期地球大型復雜多細胞生命的快速演化奠定了基本條件。

第一次大氧化事件發(fā)生在距今大約24億年前后。由于原核生物長期勤勤懇懇的光合作用，產(chǎn)生的氧氣終于消耗掉了地球早期存在的大量還原性物質(zhì)，還清了“祖祖輩輩留下的債務”，開始了氧氣的原始積累，使得大氣中的氧氣達到了現(xiàn)代大氣氧含量的1%水平，并導致真核生物在地球上首次出現(xiàn)。

但隨后長達十幾億年的時間內(nèi)大氣氧含量卻并沒有進一步增加，甚至還低于第一次大氧化事件時期的水平，從而阻礙了多細胞真核生物的演化。

地質(zhì)歷史時期大氣氧含量水平（圖片改自Poulton et al., 2017, Nature Geoscience）

對于前寒武紀海洋中的氧含量為什么長期很低的問題，目前學界有一個理論模型，即“有機碳庫模型”。該模型認為前寒武紀海洋表層透光帶內(nèi)進行光合作用的微生物主要是原核生物（藍藻），這些微生物死亡后的有機質(zhì)易于氧化降解，在海水中不斷積累，大量消耗海水中氧氣，從而導致了海水的缺氧。也就是說前寒武紀海洋中存在一個巨大有機碳庫，阻止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：南京古生物所）

前寒武紀這種缺氧的海洋就像一個現(xiàn)代的巨大沼澤池，水體中大量腐殖有機質(zhì)不斷消耗著氧氣，因而水體渾濁并缺氧。只有當這個渾濁并缺氧的海洋得到氧化，大氣和海洋的氧氣含量才能夠增加。

藍藻爆發(fā)消耗水中大量的氧氣，導致動物缺氧而死，跟這個過程也有些相似（圖片來源：光明網(wǎng)）

直到距今5.8億—5.2億年前后，地球發(fā)生了第二次大氧化事件，大氣中的氧含量增加到現(xiàn)代大氣氧含量的60%以上的水平，大洋也全部氧化，導致多細胞真核生物大輻射，以及動物的快速起源和寒武紀大爆發(fā)。

不久前，2019年5月6日，由中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所朱茂炎研究員和英國倫敦大學學院Graham Shields教授領(lǐng)銜的中英國際合作團隊在《自然-地球科學》上發(fā)表論文，證明動物在大約距今5.2億年前后階段性的快速輻射演化（寒武紀大爆發(fā)）受到大氣和海洋中氧氣含量的控制。但是，這一研究并沒有回答大氣和海洋中氧氣含量的變化又受到什么控制的問題。

西伯利亞寒武紀早期碳、硫同位素和氧氣生產(chǎn)量變化與動物多樣性之間的關(guān)系，說明該時期生物多樣性與氧氣含量同步變化（圖片來源：南京古生物所）

渾濁缺氧的前寒武紀海洋是如何變得清澈富含氧氣的呢？目前流行的假說是“生物與環(huán)境協(xié)同演化模型”。

這個模型認為當海水中氧氣含量達到原始動物生存的最低需求時，如海綿動物一旦出現(xiàn)，就通過捕食海水懸浮有機質(zhì)，加速了海水有機質(zhì)的消耗和埋藏，減少了海水中氧氣的消耗，最終導致了海洋和大氣中氧氣的增加。隨著氧氣含量的增加，微型浮游動物和復雜動物的出現(xiàn)形成復雜的食物網(wǎng)，大量消耗海水中有機質(zhì)，并通過動物大顆粒排泄物和尸體的形式進入沉積物，大大提高了有機物埋藏的效率，形成了動物演化與氧氣增加的正反饋機制。

寒武紀澄江生物群（圖片來源：南京古生物所）

理論上，這種正反饋機制最終將表現(xiàn)為氧氣增加的線性加速。然而，這卻與距今5.8億—5.2億年前后大氣和海洋氧氣含量多次大規(guī)模波動，生物發(fā)生階段性輻射演化的實際情況卻是不一致的！

在本次《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通過分析距今9億年以來全球海水碳酸鹽的碳同位素（δ¹³C）演變過程發(fā)現(xiàn)，前寒武紀海洋中的有機碳庫在距今5.7億年之后明顯減少，表明這個時期深部海洋已經(jīng)開始氧化。直接的證據(jù)是，在距今9億-5.4億年間的前寒武紀晚期，海水中的碳同位素（δ¹³C）值出現(xiàn)多次巨大的負異常變化，這種現(xiàn)象在寒武紀大爆發(fā)之后徹底消失。其中，發(fā)生在距今5.7億年前的一次碳同位素（δ¹³C）負異常事件是地球歷史上規(guī)模最大的一次。

距今9億年來海水碳同位素（δ¹³C）記錄（圖片來源：南京古生物所）

該研究團隊提出了一個新的地球系統(tǒng)模型解釋了這一現(xiàn)象。他們認為，距今5.7億年前后地球上的主要大陸通過拼合形成了一個岡瓦納超大陸和位于超大陸內(nèi)部的超級中央造山帶，將距今8億年前后大量沉積的蒸發(fā)巖礦物風化剝蝕輸入海洋。

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對海水中的有機質(zhì)進行氧化，形成黃鐵礦埋藏在沉積物中，導致當時海洋中有機碳庫快速減少。同時，海洋中有機碳的快速氧化，向大氣排放大量二氧化碳，進一步導致大氣升溫，加強了陸地風化作用和蒸發(fā)巖向海洋的輸入量，海洋中有機碳庫進一步被氧化，形成一個海洋氧化的正反饋作用機制，使得大氣和海洋中的氧氣快速增加。

蒸發(fā)巖風化與海洋有機碳庫氧化的正反饋模型圖，蒸發(fā)巖中的硫酸鹽是地球氧化劑的“蓄電池”

（圖片來源：南京古生物所）

有機質(zhì)氧化后會向海水釋放碳同位素偏輕的無機碳，由此導致的結(jié)果就是海水中的碳同位素（δ¹³C）值變得越來越輕，這種變化記錄在了該時期沉積的巖石中。而岡瓦納大陸形成之前，全球性的大量蒸發(fā)巖沉積記錄也支持了該模型。

科研人員在巴基斯坦鹽嶺地區(qū)考察，該地區(qū)發(fā)育一套巨厚的前寒武紀-寒武紀蒸發(fā)巖沉積（圖片來源：南京古生物所）

此外，通過數(shù)學模型計算，海洋有機碳庫氧化需要的蒸發(fā)巖向海洋的輸入通量與新生代青藏高原隆起后蒸發(fā)巖輸入海洋的通量相當，支持了新模型的合理性。

這個新的模型與該時期生物的階段輻射演化模型也更加契合。跟傳統(tǒng)的生物與環(huán)境協(xié)同演化模型不同，新模型強調(diào)了地球內(nèi)部過程引起的巖石圈的運動是地球表層系統(tǒng)發(fā)生革命性改變的原始驅(qū)動力。

新模型不僅驗證了前寒武紀海洋中巨大有機碳庫存在的假說，還為海洋中巨大有機碳庫的變化控制著前寒武紀末期地球多次大規(guī)模冰期發(fā)生的假說提供了支撐。因為海洋中巨大有機碳庫如果不被氧化，大氣中的二氧化碳就會不斷降低，氣候就會變得越來越冷。而構(gòu)造驅(qū)動的海洋有機碳庫的氧化，向大氣中排放大量二氧化碳，氣候就變得越來越暖。