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现代快报+ 2021-11-26

5 亿多年前,海洋为何突然充满了氧气?古生物学家们找到答案

现代快报讯(记者 阿里亚)植物光合作用离不开二氧化碳,人类生活则离不开氧气。可是你知道吗?地球上的氧含量,并非一开始就这么高。科学家们发现,5 亿多年前,大气和海洋中的氧含量达到现在的 60% 以上。而在此之前,氧含量只有现在的 1%。

地球上的氧含量是突然陡增的?中科院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员领导的中英合作团队找到了答案,相关成果近日发表在著名地球科学期刊《地球与行星科学通讯》上。

△研究团队成员

距今 5 亿多年前,氧气浓度突然暴增

氧气是一种无色无味的气体,在自然界分布广泛。人类的生存离不开氧气,我们虽然看不见也摸不着它,但是生活中处处都有它的身影。

" 早期的地球极端缺氧,直到距今大约 24 亿年前后发生第一次大氧化事件。当时。大气中的氧气达到了现代大气氧含量的 1% 水平以上。" 朱茂炎说,这次氧气突然增加,导致真核生物首次在地球上出现。

但奇怪的是,在随后长达十几亿年的时间内,大气中的氧含量一直没有明显增加。一直到距今 5.8 — 5.2 亿年前后发生第二次大氧化事件,大气中的氧含量才增加到现代大气氧含量的 60% 以上,以至于地球生命也因此开始变得繁荣起来。为何迟滞了近 20 亿年,氧气浓度突然激增?研究团队百思不得其解。

海洋是地球上最大的活跃碳库,科学家们认为,5 亿多年前的海洋中曾存在过一个超大规模的有机碳库。

" 你可以把这个海洋想象成一个巨大的沼泽,里面含有大量以细菌为主的有机质颗粒,水体混浊并缺氧。" 朱茂炎介绍,该碳库超过现代大洋溶解有机碳库 1000 倍以上。这些有机质颗粒大量消耗海水中的氧气,从而导致了大洋的长期缺氧并阻止了大气氧化的进一步增加。

△沼泽

大规模造山运动,揭示早期海洋 " 吸氧 " 过程

研究团队的任务,就是证明巨大海洋溶解有机碳库存在。

" 溶解有机碳库模型最早由美国麻省理工的 Rothman 于 2003 年提出的,该模型认为,5 亿多年前的海洋中进行光合作用的微生物主要是原核生物。这些微生物死亡后的有机质颗粒细小、沉降速率慢,在海水中不断积累形成一个巨大溶解有机碳库。" 由于这种细小有机质颗粒易于氧化降解,大量消耗海水中氧气,从而导致了海水的长期缺氧和大气氧化的增加。

朱茂炎告诉现代快报记者,由于早期的地球不可能提供足够的氧化剂来移除海洋中这一巨大的还原碳库,这一模型随后遭受到质疑。

直到 2019 年,研究团队提出,大规模造山运动可以导致原来海盆中形成的巨量蒸发盐矿物风化。" 大约 5 亿多年前,陆地上发生了巨大的造山运动,形成了大量的硫酸盐。这些硫酸盐通过河流的搬运进入到海洋里。随后,它们跟海洋里的有机质颗粒发生了反应。这是一个增加氧气的过程,溶解有机碳库变小了,海洋随之氧化了。"

这一假说为溶解有机碳库模型面临的氧化剂来源这一挑战提供了解决方案。但是,该假说却缺乏具体的地质记录。

怎么办?研究团队奔赴湖北宜昌寻找证据。在这里,他们开展了详细的碳、氧、硫、铀、锶等多同位素体系分析。

△湖北宜昌南沱村埃迪卡拉纪陡山沱组剖面的碳、硫、铀、锶同位素变化

△湖北宜昌相关地层剖面

对现代全球气候变化有重要启示意义

" 研究结果支持了我们 2019 年提出的假说,即造山运动导致大量氧化剂进入到海洋里,并进一步导致早期海洋氧化。同时,为溶解有机碳库的存在是早期海洋彻底氧化的关键原因提供了直接证据。" 朱茂炎说,这为地球大型复杂多细胞生命的快速演化奠定了基本条件。

△早期海洋

朱茂炎表示,这项研究对分析现代全球气候变化也有重要启示意义。" 大气氧化之后,复杂动物大量出现,导致海洋有机碳库越来越小。海洋里的碳库一旦被吸收了,大气中的碳库就会减少,地球就会降温。反之,海洋里的碳库一旦释放到大气中,地球就升温了。我们一定要追踪大气和海洋碳库之间是怎么转换的。"

海洋中的溶解有机碳库究竟有多大?它的威力能持续多久?全球变暖是否与此有关?…… 朱茂炎告诉现代快报记者,为了回答以上问题,古生物学家们正在开展相关研究。

(中科院南京地质古生物研究所供图 编辑 高淼)

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