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23亿年前地球如何维持氧气?研究指向海洋磷循环

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地球大气里的氧气,并不是一开始就有的。大约23亿年前,地球经历了一次被称为"大氧化事件"的转折,氧气开始在大气中积累。但这里留下了一个让科学家头疼很久的问题:氧气上来之后,是怎么在数百万年里一直维持住、让地球保持宜居的?

加州大学河滨分校的地质学家安德烈·贝克(Andrey Bekker)参与的一项研究,把目光投向了南非的古老岩石。研究发表在《自然通讯》上,结论指向一个藏在远古海洋里的磷循环系统——它可能让氧气水平自己"托住"了自己。


先搞清楚:磷为什么这么关键

磷是生命必需的元素。用贝克的话说:"生物离开磷就没法正常生长或运作。"

但磷在海洋里的状态很微妙。它可能溶解在水里,被生物取用;也可能被锁进矿物结构里,生物根本碰不到。过去的研究能测出古老岩石里磷的总量,却分不清这些磷到底有多少是"活的"、多少是"锁死的"。

总量高,不等于生物能用得上。这是理解整套机制的前提。

一个自我强化的循环,是怎么转起来的

研究团队提出的机制大致是这样一条链条:

  1. 氧气扩散进海洋,改变了海水的化学性质,让硫酸盐(含硫和氧的化合物)浓度上升。
  2. 某些微生物利用这些硫酸盐,更高效地分解有机物质。
  3. 在这个分解过程中,磷被释放回水中,重新变成其他生物可用的营养。
  4. 磷变多了,生物生产力就上去了,意味着更多有机碳会被埋进海底沉积物,而不是被分解掉。
  5. 有机质分解会消耗氧气,所以埋掉的碳越多,越有利于大气中的氧气继续积累。

于是形成一个正反馈:氧气升高→海水化学变化→生物生长被支持→大气氧气被维持。贝克描述这个过程时说,更多磷变得可用之后,更多有机碳被埋藏,"这个过程的副作用就是,更多氧气继续被释放到大气中"。

他们是怎么把"能用的磷"挑出来的

为了验证这套机制,研究人员对南非的古老岩石样本做了一种更细的处理。他们没有只测磷的总量,而是按磷所在的矿物类型把它分开——办法是把不同的矿物成分逐一溶解,从而区分出曾经可供生物利用的磷,和被封在矿物结构里的磷。

贝克说:"我们现在可以把生物可用的磷,和基本被锁住的磷分开。这让我们对远古海洋的营养水平有了比以前清晰得多的图景。"

这个区分之所以重要,是因为海洋里磷的总量,并不等于能支撑生命的量。新方法提供了一条更清楚的路,去重建古代的营养循环,并理解它们如何影响大气氧气。

氧气历史可能比想象中更动荡

这项研究还指向一个更复杂的图景:大氧化事件之后,氧气水平可能并不是相对平稳地维持着,而是经历了幅度大得多的上升和下降。这些波动很可能在数千万年的时间里持续影响海洋化学,以及必需营养在海洋环境中的迁移。

这也会影响科学家对早期生命演化的解读。有一个长期存在的问题是:氧气第一次成为大气重要成分之后,复杂生物为什么过了那么久才出现?氧气不足,一直被认为是可能的解释之一。

但如果在地球早期历史的很长一段时间里,氧气其实相对充足,那就意味着——拖慢复杂生命出现的,可能是别的环境条件,或者生物自身的限制。

和今天的海洋有什么关系

这项研究聚焦的是几十亿年前的事,但它的意涵延伸到了我们今天依赖的海洋。

气候变化已经在导致世界部分海域的氧气水平下降。如果氧气流失持续下去,可能会扰乱磷的循环,减少可供生物利用的磷的量。

换句话说,23亿年前那套帮地球"托住"氧气的循环,今天正面临被反向扰动的可能。当年是氧气上升带动化学变化、释放磷、维持氧气;如今氧气下降会怎样影响这条链条,是这项研究留下的、值得继续追问的问题。

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