超过20亿年前，地球经历了剧烈的转变，氧气开始在其大气层中积累。然而，这一变化给科学家留下了一个重大谜题：这个星球如何在数百万年中维持足够的氧气以保持宜居？研究人员现在发现，答案可能在于地球海洋中的一个古代循环系统。通过研究来自南非的岩石，他们发现海洋化学的变化帮助创造了一个自然循环，其中生物活动支持了大气氧气的持续积累。这项以《自然通讯》为载体的研究涉及了加州大学河滨分校的地质学家安德烈·贝克尔等科学家。他们的发现表明，磷是一种对生命至关重要的营养素，在维持氧气水平方面发挥了核心作用，最终使更复杂的生物体成为可能。 古代海洋如何帮助维持地球的氧气 大约23亿年前，地球经历了伟大的氧化事件，这是一个重要的转折点，当时氧气成为大气中的持续成分。科学家们对这一转变的理解已有数十年，但解释此后氧气如何保持充足则难得多。研究人员识别出一个反馈循环，有助于解释发生了什么。当氧气传播到海洋中时，它改变了海水的化学性质并增加了硫酸盐的浓度，硫酸盐是一种含硫和氧的化合物。某些微生物利用这种硫酸盐更有效地分解有机物。在这个过程中，它们重新释放磷到水中，使这一重要的营养素对其他生物可用。随着可用磷的增加，生物生产力也随之提高。这意味着更多的有机碳最终可以埋藏在海底沉积物中，而不是被分解。由于有机物的分解会消耗氧气，因此埋藏更多的碳有助于维持大气中的氧气积累。这创造了一个强化循环，氧气水平的上升促进了支持生物生长的化学变化，而这些变化又有助于维持大气中的氧气。 贝克尔说：“没有磷，生物体无法正常生长或运作。一旦海洋中有了更多的磷，就能使更多的有机碳被埋藏。这一过程的副作用是更多的氧气不断释放到大气中。” 古代岩石揭示了一个隐藏的磷循环 为了研究这一过程，科学家们利用一种技术检查了来自南非的古代岩石样本，该技术提供了对史前海洋中磷可用性更详细的图景。早期研究能够确定古代岩石中存在多少磷，但这些测量很少能揭示生物是否能够实际利用它。一些磷被困在矿物中，使得它对生物而言实际上不可获取。研究人员通过根据含磷的矿物分离磷来解决这一局限性。他们通过逐个溶解不同的矿物成分，使他们能够区分出可用于生物活动的磷和被锁在矿物结构中的磷。这一区分至关重要，因为海洋中磷的总量并不一定表示有多少是可用于维持生命的。新的方法提供了一种更清晰的方式来重建古代养分循环，并理解它们如何影响大气氧气。贝克尔说：“我们现在可以把可供生物体利用的磷与基本上被锁住的磷分开。这为我们提供了一幅比之前更清晰的古代海洋中养分水平的图景。” 地球的氧气历史可能比预期的更为动荡 这些发现还指向了地球大气更复杂的历史，这些复杂性是科学家们之前没有意识到的。在伟大的氧化事件之后，氧气水平可能并未保持相对稳定，而是可能经历了更为剧烈的波动。这些波动可能在数千万年内继续影响海洋化学和必需营养物质在海洋环境中的流动。结果也可能改变科学家对早期生命进化的解释。其中一个长期问题是，为什么在氧气首次成为地球大气的重要组成部分后，复杂生物的出现花了这么长时间。有限的氧气常常被认为是这种延迟的可能解释。然而，如果在地球早期历史的延长时期内氧气相对丰富，那就提出了其他环境条件或生物限制在减缓复杂生命的出现方面发挥了更大作用的可能性。 地球古代氧气循环对未来的意义 尽管这项研究集中在数十亿年前的事件上，但它也为理解当今地球生命和气候的未来提供了重要见解。