我們都知道，動(dòng)物需要氧氣才能生存。對(duì)如今的地球來(lái)說(shuō)，21% 的大氣是氧氣，帶來(lái)了相當(dāng)宜居的環(huán)境。然而，在地球歷史的大部分時(shí)間中，情況并非如此。

如果我們穿越回過(guò)去，前往大約 5 億年前，可能就需要隨身攜帶一個(gè)氧氣瓶。但科學(xué)家還不太確定大氣和海洋中，氧氣隨時(shí)間推移的絕對(duì)水平；也不確定是否是氧氣水平的上升，促進(jìn)了動(dòng)物生命的進(jìn)化，又或者，兩者的關(guān)系可能是反過(guò)來(lái)的。這些問(wèn)題引發(fā)了無(wú)數(shù)爭(zhēng)論，還有數(shù)十年的研究。

近日，一組研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，地球大氣中的氧氣水平可能在 10 億年前發(fā)生著劇烈波動(dòng)，從而可能創(chuàng)造了可以加速早期動(dòng)物的發(fā)展和進(jìn)化的條件。研究已于近日發(fā)表在《自然進(jìn)展》上。

氧氣水平變化的三個(gè)階段

科學(xué)家目前認(rèn)為，大氣氧氣的發(fā)展大致可以劃分成三個(gè)階段。

首先是大約 24 億年前的大氧化事件，當(dāng)時(shí)，氧氣首次出現(xiàn)在大氣中，地球從一個(gè)基本無(wú)氧的世界，變成了一顆充滿氧氣的星球。而第三階段則在約 4.2 億年前，也被稱為古生代氧化事件，大氣中的氧氣上升到了現(xiàn)代水平。

但科學(xué)家仍不確定的是，在這兩者之間的第二階段究竟發(fā)生了什么。這段時(shí)期被稱為新元古代，大約始于 10 億年前，持續(xù)了約 5 億年，在此期間，地球上出現(xiàn)了早期動(dòng)物的生命形式。

此后，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)似乎指向了一段復(fù)雜而迷人的氧氣歷史。因此，在這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家想知道，在新元古代，氧氣水平的變化有沒(méi)有什么特別之處，這可能在動(dòng)物的早期進(jìn)化中起到了關(guān)鍵作用，而氧氣水平是突然上升的，還是緩步增加的？

碳的同位素

為了嘗試回答這個(gè)問(wèn)題，一組研究團(tuán)隊(duì)測(cè)量了淺海采樣的石灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)的不同形式的碳，也就是不同的碳的同位素。

碳有許多天然存在的同位素，也就是原子核中質(zhì)子數(shù)量相同，而中子數(shù)量不同的形式，因此，各種同位素的大小和質(zhì)量略有差異。

研究著重測(cè)量了碳 -12和碳 -13，它們都不會(huì)發(fā)生放射性衰變。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，植物在進(jìn)行光合作用時(shí)更喜歡使用輕的碳 -12，這會(huì)讓海水和后續(xù)在海底形成的巖石中富含碳 -13。

因此，當(dāng)科學(xué)家在數(shù)百萬(wàn)年甚至數(shù)十億年之后來(lái)分析這些巖石時(shí)，就可以根據(jù)兩者的比率，計(jì)算出數(shù)億年前存在的光合作用水平，并推斷出大氣氧氣的水平。

根據(jù)計(jì)算，他們已經(jīng)得出了過(guò)去 15 億年來(lái)大氣氧氣水平的記錄，這告訴了我們，有多少氧氣會(huì)擴(kuò)散到海洋中，從而支持早期海洋生物。這些發(fā)現(xiàn)為地球上氧氣水平的變化方式提供了一個(gè)新的視角。

結(jié)果表明，在新元古代，氧氣水平不是簡(jiǎn)單地躍升，它的變化實(shí)際上要?jiǎng)討B(tài)得多。而且從地質(zhì)的時(shí)間尺度上而言，這種變化非常迅速。7.5 億年前，氧氣占大氣的約 12%，而后在短短幾千萬(wàn)年里，它就已經(jīng)下降到大約 0.3%，也就是 1% 都不到，接著在幾百萬(wàn)年后再次上升。

也就是說(shuō)，在早期動(dòng)物生命形式出現(xiàn)之前的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，氧氣水平其實(shí)是在高與低之間震蕩，包含了早期動(dòng)物生活的海洋環(huán)境含有豐富氧氣的時(shí)期，也有氧氣貧乏的時(shí)期。直到大約 4.5 億年前，植物在陸地上獲得了一席之地，情況才有了變化。

耐人尋味的結(jié)果

研究人員表示，這種環(huán)境條件的變化，反而會(huì)帶來(lái)進(jìn)化上的壓力，一些生命形式可能滅絕，而新的生命形式也可能出現(xiàn)。

氧氣水平高的時(shí)期擴(kuò)大了所謂的 " 宜居空間 "，也就是說(shuō)，部分海洋中氧氣水平高到了足以支持早期動(dòng)物生命形式。 一些生態(tài)學(xué)理論已經(jīng)提出，當(dāng)宜居空間出現(xiàn)擴(kuò)張或收縮時(shí)，有可能支持生物生命的多樣性的快速變化。

當(dāng)氧氣水平下降時(shí)，一些生物要面對(duì)嚴(yán)重的環(huán)境壓力，這可能會(huì)驅(qū)動(dòng)滅絕。而當(dāng)富含氧氣的水域擴(kuò)大時(shí)，新的空間則讓幸存者來(lái)到了生態(tài)中的主導(dǎo)地位。這些擴(kuò)大的宜居空間將持續(xù)數(shù)百萬(wàn)年，為生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展提供了充足的時(shí)間。

他們同時(shí)提到，了解地球大氣氧氣的歷史，或許是一份有用的指南，可以作為我們尋找地外生命的起點(diǎn)。