由于藻類和植物的光合作用，氧氣作為副產(chǎn)品產(chǎn)生并釋放到大氣中，導(dǎo)致大氣氧含量的上升（圖1）。然而，光合作用理論并不能完全解釋氧氣水平的增加。這是因?yàn)楫?dāng)藻類和植物死亡時(shí)，它們會(huì)被微生物吞噬，這是一個(gè)從大氣中消耗氧氣的過程。因此，大氣中的氧含量是光合作用產(chǎn)生的氧氣與死亡植物和藻類分解后損失的氧氣之間的平衡。
為了使大氣中的氧氣含量更高，分解的過程必須被減緩或停止。這是通過所謂的礦物促進(jìn)的有機(jī)碳保存來實(shí)現(xiàn)的，海洋中的礦物，特別是鐵氧化物顆粒（Xiao et al., 2023, NREE），與死去的藻類和植物結(jié)合，并抑制它們的腐爛和分解?？偟慕Y(jié)果是氧氣水平的增加。
多年來，科學(xué)家們一直知道礦物顆粒可以與死亡藻類和植物等有機(jī)物結(jié)合，使它們不易受到微生物的攻擊，并保護(hù)它們不受腐爛過程的影響。然而，鐵氧化物促進(jìn)的有機(jī)碳埋藏對(duì)大氣氧演化的影響目前還缺乏理論模型和數(shù)據(jù)支持。
圖1 地球富氧的大氣 （來源：Elen11/iStock ）
中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所趙明宇副研究員與英國(guó)學(xué)者合作，開發(fā)了一個(gè)新的包含碳、氧、磷、硫、鐵等循環(huán)的全球生物地球化學(xué)模型（圖2）。在這個(gè)模型里，研究者加入鐵氧化物促進(jìn)的有機(jī)碳埋藏。通過模型的運(yùn)行，他們發(fā)現(xiàn)相較于磷風(fēng)化，鐵氧化物促進(jìn)的有機(jī)碳埋藏是影響大氣氧含量的一個(gè)獨(dú)立的因素，可以引起大氣氧含量發(fā)生數(shù)量級(jí)的變化。另外，模型結(jié)果還表明磷風(fēng)化對(duì)大氣海洋氧含量的影響程度受控于鐵風(fēng)化的通量。在鐵風(fēng)化通量高的時(shí)候，磷風(fēng)化的降低并不能導(dǎo)致海洋大氣氧含量發(fā)生顯著的變化。
研究者進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了頁(yè)巖中鐵氧化物含量在地質(zhì)歷史時(shí)期演化的數(shù)據(jù)，總共統(tǒng)計(jì)了81個(gè)文獻(xiàn)的6381個(gè)數(shù)據(jù)。這一數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明沉積物中鐵氧化物的儲(chǔ)庫(kù)在新元古代發(fā)生顯著的增加，這很好地對(duì)應(yīng)了同時(shí)期大氣氧含量的增加，即NOE事件。這一對(duì)應(yīng)關(guān)系從數(shù)據(jù)上進(jìn)一步證明了鐵氧化物促進(jìn)的有機(jī)碳埋藏在大氣氧演化過程中的作用。另一方面海洋-大氣的氧化會(huì)進(jìn)一步將沉積物中的黃鐵礦氧化成鐵氧化物，這些新增的鐵氧化物又會(huì)更加促進(jìn)有機(jī)碳的埋藏，形成一個(gè)正反饋機(jī)制。
大氣中氧氣的增加對(duì)生命的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。它導(dǎo)致了越來越復(fù)雜的生物的進(jìn)化。這項(xiàng)研究不僅加深了對(duì)地球大氣層充氧方式的理解，還讓我們得以一窺復(fù)雜生命在其他行星上發(fā)展所需的條件。這項(xiàng)研究提供了一個(gè)新的理解，即地球大氣層是如何變得富氧的，這最終使復(fù)雜的生命形式得以進(jìn)化。地球上有水只是故事的一部分。需要有陸地來提供礦物顆粒的來源，這些礦物顆粒最終會(huì)流入海洋，最終導(dǎo)致星球大氣氧含量的上升。
圖2 地質(zhì)歷史時(shí)期頁(yè)巖中的鐵氧化物含量與大氣-海洋氧含量的演化
研究成果最近發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Geoscience（Mingyu Zhao*, Mills B J W, Homoky W B, Peacock C L. Oxygenation of the Earth aided by mineral–organic carbon preservation. Nature Geoscience， 2023. DOI: 10.1038/s41561-023-01133-2）.
