火山活动和地球地幔变化是大气氧气上升的关键

氧气最初是在24亿年前的大氧化事件中在地球大气中积累起来的。一个由来已久的谜团是，地质线索显示，早期细菌在那之前进行了光合作用，并排出了大量氧气。都去哪儿了？

• 图：大气层

有什么东西阻止了氧气的上升。数十亿年前对岩石的新解释发现，火山气体是可能的罪魁祸首。这项由华盛顿大学领导的研究于今年6月发表在“开放获取”杂志上。自然通讯.

“这项研究恢复了一个关于大气氧气演化的经典假说，”主要作者ShintaroKadoya说，他是UW地球和空间科学的博士后研究员。数据表明，地球地幔的演化可以控制地球大气的演化，也可能是生命的演化。

多细胞生命需要集中的氧气供应，因此氧气的积累是地球上氧气呼吸生命进化的关键。

“如果地幔的变化控制了大气中的氧气，正如这项研究所暗示的那样，地幔可能最终决定了生命进化的速度，”卡多亚说。

这项新工作建立在2019年的一篇论文上，该论文发现，早期地球地幔的氧化程度远低于现代地幔，或者含有更多可以与氧气反应的物质。这一研究是从南非和加拿大等地收集的，对古老火山岩的研究已有35.5亿年的历史。

斯克里普斯海洋学研究所的罗伯特·尼可拉斯、马里兰大学的伊戈尔·普奇特尔和亚利桑那州立大学的阿里尔·安巴都是2019年这项研究的作者。他们也是这篇新论文的共同作者，研究地幔的变化是如何影响逃逸到地表的火山气体的。

太古宙时期，只有微生物在地球上广泛存在，火山活动比今天更加活跃。火山爆发是由岩浆--一种熔融和半熔融岩石的混合物--以及即使火山没有喷发的气体而产生的。

其中一些气体与氧气反应或氧化生成其他化合物。这是因为氧气往往渴望电子，所以任何有一两个松散电子的原子都会与之发生反应。例如，火山释放的氢与任何自由氧结合在一起，将氧气从大气中清除出来。

地球地幔的化学成分，或者说地壳下面更软的岩石层，最终控制着来自火山的熔岩和气体的类型。较少氧化的早期地幔会产生更多的气体，如氢与自由氧结合。2019年的研究表明，从35亿年前到今天，地幔的氧化程度逐渐增加。

这项新的研究将这些数据与古代沉积岩的证据结合起来，显示出25亿年前某个时候的临界点，当时微生物产生的氧气克服了它在火山气体中的损失，并开始在大气中积累。

“基本上，可氧化火山气体的供应能够吞噬光合作用进化后数亿年的光合氧，”联合作者david catling说，他是UW的地球和空间科学教授。“但当地幔本身变得更氧化时，可氧化的火山气体就会减少。当没有足够的火山气体将其全部吸收时，氧气就会涌向空气。”

这对理解地球上复杂生命的出现以及在其他行星上存在生命的可能性有着深远的意义。

“研究表明，当考虑到行星表面和生命的演化时，我们不能排除行星的地幔活动”卡多亚说。

来自数十亿年前岩石的种种证据表明，火山在早期地球大气中氧的上升中起着关键作用，这对生命进化的理解，以及对其他行星系统的研究，将有深远的影响。