地球最初的氧气来自哪？答案可能很简单

KouShare 蔻享学术 2023-08-02

地球上的大多数生命都离不开氧，具体来说，是分子氧，也就是两个氧原子通过共享电子而连接在一起的分子形式。

但是，地球生命其实是在没有分子氧的大气环境中进化而来的。最早的地球生命以其他化学物质为生，比如硫化物。但遗传证据暗示，最早的微生物是在“弱氧化”环境中进化的，也就是说，那里有一些分子氧，还有其他一些含有氧的活性分子，但不多。

这种“训练”在大约24亿年前派上了用场。当时，一些叫作蓝细菌的早期生命形式，进化出一种酷炫的新技能，它们能吸入二氧化碳并呼出氧气。在几十万年内，地球上大量的蓝细菌向大气中注入了足够的氧气，造就了地球历史上著名的“大氧化事件”。它彻底改变了我们这颗星球，也改写了生命未来的走向。

这就给科学家留下了一个挥之不去的问题。在蓝细菌开始制造分子氧之前，分子氧是从哪里来的？

最近，一项由广州地球化学研究所的科学家何宏平领导的研究提出了一个看似简单的答案，那就是岩石。一块来自物理实验室中的破碎石英，有望被用来揭示地球上的生命历史，并为寻找其他可居住的世界提供线索。

新研究发表于《美国国家科学院院刊》，研究人员提出，在20亿到40亿年前，水和破碎的岩石可能为早期地球提供了少量氧气，刚好足以引导早期生命进化出在更富氧环境中生存的工具。

学会呼吸

对于一个细胞而言，化学环境的颠覆或许很难应付。比如，如果把缺氧细菌群丢入氧气中，它们会尽数死亡。

但是进化的巧妙之处在于，如果让这些细菌在很长一段时间内长期、少量地接触氧气，自然选择最终则可能会筛选出能够应对氧气的细菌。

研究人员推测，这或许正是早起地球上发生的事情。长期接触微量的氧气，以及化学家称作“活性氧物种”的化合物，可能给了那些早期微生物一个完美的机遇进化出一些重要的酶。

所谓的活性氧物种，可以理解成一类含氧的“活跃分子”，比如过氧化氢。过氧化氢是一对氢原子与一对氧原子结合在一起形成的化合物，可以将其想象为一个水分子上多出了一个备用的氧原子。这个多余的氧原子带来了额外的电子，因此，过氧化物的稳定性比水要差得多，而且它们更渴望与其他分子发生反应。

与这些化合物接触，赋予了生命一种新的超能力，它们开始有能力中和这些活性氧物种，并学会利用分子氧。

破碎的岩石

在过去的几年里，一些材料科学家已经意识到，如果以恰到好处的方式破坏一大块固体材料，就可以打破化学键，留下自由的电子，这些自由电子随时准备形成新的键，创造新的化学反应。这给了研究团队一种思路。

矿物石英是由二氧化硅构成的，也就是一个硅原子和两个氧原子，通过共享电子结合。团队在实验室里研磨了一些石英样本，然后用一种名为X射线谱学的技术观察刚研磨的表面。他们看到表面充满了断裂的化学键，特别是带有自由电子的氧原子。这些曾经在氧和硅之间保持的电子，现在可以抓住附近的其他分子并引发化学反应。

当研究人员将石英样本浸入水中时，一连串的化学反应沿着这些新研磨的表面发生，最终产生了包括过氧化氢和分子氧在内的物质出现。这两种物质在影响地球上的生命进化过程中可能发挥了重要作用。

在缺乏“研磨机”的40亿年前的太古宙，频繁的地震、冰川活动，以及海浪和潮汐的侵蚀等地球活动，或许提供了源源不断的新鲜破碎的岩石。大约90%的地壳是由石英等硅酸盐矿物构成的，它们也许仅仅提供了一点点氧气，而且只是出现在局部的范围内，但这或许正是当时生命所需要的。

对其他世界上生命的影响

这样的过程可能已经发生，而且现在可能正发生在其他岩质世界上。其他星球上类似的地质过程，比如火星上的沙暴或者土卫二上的潮汐涨落，也许同样有机会制造氧。

研究人员表示，更深入的研究可以阐明岩石和水究竟是如何相互作用而产生氧气的，还有像过氧化氢和其他活性氧物种究竟起到了怎样的角色。

这项研究也说明，宜居性似乎在许多方面都取决于岩石和水之间的相互作用。地球上的生命不仅仅是在地球上进化，而是与地球一同进化。地质和气候塑造了早期生命，而生命又反过来影响了地球的气候和地质。

#创作团队：

编译：Takeko

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.inverse.com/science/early-earth-oxygen-source

https://www.newscientist.com/article/2365333-oxygen-on-early-earth-may-have-come-from-quartz-crushed-by-earthquakes/