氧气地质历史

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地球大气层氧气的含量。红线和绿线分别代表上限和下限。变化可分为五个阶段:
第一阶段(38.5-24.5亿年前):大气层中几乎没有氧气
第二阶段(24.5-18.5亿年前):氧气逐渐产生,但溶解于海洋中,与岩石进行氧化反应
第三阶段(18.5-8.5亿年前):氧气从海洋中释放出来,但被地表吸收,或转变成臭氧形成臭氧层
第四、第五阶段(8.5亿年前至今):氧气开始在大气层中积累[1]

光合作用发生之前,地球大气中没有氧气[2]。35亿年前,原核生物通过光合作用产生氧气[3],但氧气氧化了裸露的金属氧化铁在海底沉积,形成條狀鐵層[1]大氧化事件开始5000万年后,大气层中才开始积累氧气[4][5]。由于此时植物还没有诞生,前寒武纪产氧速率较慢,浓度不到今天的10%。此时氧气浓度波动较大,19亿年前,大气层可能不存在氧气[6]。此时氧气浓度对生命影响较小。寒武纪以后多細胞生物大量繁殖,氧气浓度波动才会使生物大量灭绝[7]

氧气浓度上升,生命演化逐渐复杂,因为有氧呼吸无氧呼吸的物质利用率更高[8][9][10]寒武纪以来,大气层氧气浓度在15%到35%之间波动[11]。氧气浓度于3亿年前石炭纪时达到峰值,此时大气氧含量约为35%。氧浓度高的大气使节肢动物体型庞大[10]。虽然人类燃烧化石燃料等活动对二氧化碳大气含量影响显著,但对于氧气的影响微乎其微[12]

生物影响[编辑]

大氧化事件中,大气氧含量猛增,许多厌氧生物因此死亡[10]。氧气浓度变化会改变生物进化的速度,是阿瓦隆大爆发英语Avalon explosion寒武纪大爆发可能的原因。氧气浓度也会影响动物体型大小和生物多样性[13]。数据显示,大氧化事件后不久,生物数量猛增100倍[13]。氧气浓度也会影响生物体型。石炭纪时期大气氧含量约为35%,节肢动物体型庞大,而石炭纪之后昆虫体型逐渐变小[10]

一种观点认为,氧浓度上升会加快生物进化的速率。最后一次雪球地球结束时,大气氧含量增加,开始出现多细胞生命。但是这种关联并不明显,理论也遭到质疑[10]。氧浓度较低时,生物尚未进化到可以固氮的阶段,可利用的含氮有机物较少,存在周期性的“氮危机”,海洋可能不适合生物生存[14][10]。氧气浓度上升只是生物进化的前提之一[10]。氧浓度上升后,动物立即出现,并保存在化石记录中[10]。此外,类似于大气缺氧,海洋缺氮等不适于宏观生命生存的条件,在寒武纪早期和白垩纪晚期时常出现,但是对多细胞生物没有明显的影响[10]。这可能表明在寒武纪以前,海洋沉积物反映大气和地壳的化学组成的方式与现在不同,因为那时没有浮游生物进行物质循环[7][10]

富氧大气能更快的风化岩石,促进等元素的循环,对物种的新陈代谢、生长繁殖起重要作用[2]

参考[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 Holland, H. D. The oxygenation of the atmosphere and oceans. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 2006, 361 (1470): 903–915. PMC 1578726可免费查阅. PMID 16754606. doi:10.1098/rstb.2006.1838. 
  2. ^ 2.0 2.1 Zimmer, Carl. Earth's Oxygen: A Mystery Easy to Take for Granted. New York Times. 2013-10-03 [2013-10-03]. (原始内容存档于2013-10-03). 
  3. ^ Dutkiewicz, A.; Volk, H.; George, S. C.; Ridley, J.; Buick, R. Biomarkers from Huronian oil-bearing fluid inclusions: an uncontaminated record of life before the Great Oxidation Event. Geology. 2006, 34 (6): 437. Bibcode:2006Geo....34..437D. doi:10.1130/G22360.1. 
  4. ^ Anbar, A.; Duan, Y.; Lyons, T.; Arnold, G.; Kendall, B.; Creaser, R.; Kaufman, A.; Gordon, G.; Scott, C.; Garvin, J.; Buick, R. A whiff of oxygen before the great oxidation event?. Science. 2007, 317 (5846): 1903–1906. Bibcode:2007Sci...317.1903A. PMID 17901330. S2CID 25260892. doi:10.1126/science.1140325. 
  5. ^ Dole, M. The Natural History of Oxygen. The Journal of General Physiology. 1965, 49 (1): Suppl:Supp5–27. PMC 2195461可免费查阅. PMID 5859927. doi:10.1085/jgp.49.1.5. 
  6. ^ Frei, R.; Gaucher, C.; Poulton, S. W.; Canfield, D. E. Fluctuations in Precambrian atmospheric oxygenation recorded by chromium isotopes. Nature. 2009, 461 (7261): 250–253. Bibcode:2009Natur.461..250F. PMID 19741707. S2CID 4373201. doi:10.1038/nature08266. 简明摘要. 
  7. ^ 7.0 7.1 Butterfield, N. J. Macroevolution and macroecology through deep time. Palaeontology. 2007, 50 (1): 41–55. S2CID 59436643. doi:10.1111/j.1475-4983.2006.00613.x可免费查阅. 
  8. ^ Schmidt-Rohr, K. (2020). "Oxygen Is the High-Energy Molecule Powering Complex Multicellular Life: Fundamental Corrections to Traditional Bioenergetics". ACS Omega 5: 2221-2233. http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.9b03352页面存档备份,存于互联网档案馆).
  9. ^ Freeman, Scott. Biological Science, 2nd. Upper Saddle River, NJ: Pearson – Prentice Hall. 2005: 214, 586. ISBN 978-0-13-140941-5. 
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 Butterfield, N. J. Oxygen, animals and oceanic ventilation: An alternative view. Geobiology. 2009, 7 (1): 1–7. PMID 19200141. S2CID 31074331. doi:10.1111/j.1472-4669.2009.00188.x. 
  11. ^ Berner, R. A. Atmospheric oxygen over Phanerozoic time. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Sep 1999, 96 (20): 10955–10957. Bibcode:1999PNAS...9610955B. ISSN 0027-8424. PMC 34224可免费查阅. PMID 10500106. doi:10.1073/pnas.96.20.10955可免费查阅. 
  12. ^ Emsley, John. Oxygen. Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England, UK: Oxford University Press. 2001: 297–304. ISBN 978-0-19-850340-8. 
  13. ^ 13.0 13.1 Payne, J. L.; McClain, C. R.; Boyer, A. G; Brown, J. H.; Finnegan, S.; et al. (2011). "The evolutionary consequences of oxygenic photosynthesis: a body size perspective". Photosynth. Res. 1007: 37-57. DOI 10.1007/s11120-010-9593-1
  14. ^ Navarro-González, Rafaell; McKay, Christopher P.; Nna Mvondo, Delphine. A possible nitrogen crisis for Archaean life due to reduced nitrogen fixation by lightning (PDF). Nature. Jul 2001, 412 (5 July 2001): 61–64 [2022-02-13]. Bibcode:2001Natur.412...61N. PMID 11452304. S2CID 4405370. doi:10.1038/35083537. hdl:10261/8224可免费查阅. (原始内容存档 (PDF)于2021-03-08). 

外部链接[编辑]