火山喷发与冒出的第一股氧气

 

whiff:n. 一股气味;一点点,些许;轻微的迹象

一项对来自澳大利亚25亿年历史的岩石的新分析发现,火山爆发可能刺激了海洋微生物的数量激增,向大气中产生了第一批氧气。这将改变现有的关于地球早期大气的说法,即假定早期大气的大部分变化是由地质或化学过程控制的。

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尽管这项研究的重点是地球的早期历史,但它也对外星生命乃至气候变化具有启示意义。这项由华盛顿大学、密歇根大学和其他机构牵头的研究于8月份发表在《(美国)国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences, PNAS)上。

 

无生命的地球和生命的进化之间确实存在着相当多的联系。但究竟是什么特定的联系促成了我们所知道的地球上生命的进化呢?

 

在早期,地球的大气中没有氧气,即使有,也很少有呼吸氧气的生命形式。地球的大气层在大约24亿年前变得永久富氧,可能是在生命形式进行光合作用、将二氧化碳和水转化为氧气之后。

 

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在2007年,亚利桑那州立大学(Arizona State University)的合著者阿里尔·安巴尔(Ariel Anbar)分析了澳大利亚西部麦克雷山页岩的岩石,报告称,在氧气成为大气中的永久固定元素之前,大约5000到1亿年前,有一股短暂的氧气高峰。最近的研究证实了其他更早的短期氧气峰值,但没有解释它们的上升和下降。

火山喷发与冒出的第一股氧气

▲岩石钻芯。分析表明,在 24 亿年前的大氧化事件之前,大气中已经有一股氧气。新的分析显示,火山产生的矿物质的峰值稍早,可能使早期的微生物群落产生氧气。

在这项新研究中,密歇根大学的研究人员在共同通讯作者乔尔·布鲁姆(Joel Blum)的带领下,分析了同一块古代岩石中由火山喷发释放出的汞元素中的中子浓度和数量。大规模的火山爆发将水银喷射到上层大气中,直到今天,水银在那里循环了一两年才落到地球表面。新的分析显示,在氧气暂时上升之前的几百万年,汞的含量出现了激增。

 

毫无疑问,在氧气瞬间激增的岩石中,我们发现了汞的证据,包括它的丰度和同位素,这很合理地解释了大气中的火山喷发。

 

作者认为,在有火山喷发的地方,一定有熔岩和火山灰堆。这些富含营养的岩石在风雨中风化,将磷释放到河流中,可以给附近的沿海地区施肥,让产氧的蓝藻和其他单细胞生命形式蓬勃发展。

 

Meixnerová说:“还有其他营养物质在短时间内调节生物活动,但在长期上磷是最重要的。”

 

今天,磷在生物材料和农业肥料中都很丰富。但在非常古老的时代,火山岩的风化作用可能是这种“稀有”资源的主要来源。

 

“在太古代的风化过程中,新生玄武岩会慢慢溶解,将基本的营养元素磷释放到河流中。这为生活在浅海地带的微生物提供了养分,并引发生物生产力的提高,作为副产品,这将导致氧气激增。

 

这些火山和火山灰堆的确切位置尚不清楚,但在当今的印度、加拿大和其他地方,存在着年龄相仿的大型火山灰堆。

 

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“我们的研究表明,对于这些短暂的氧气变化,直接的触发因素是氧气产量的增加,而不是岩石或其他无生命过程消耗氧气的减少。”

 

“这很重要,因为大气中氧气的存在是基础,它是复杂生命进化的最大驱动因素。”

 

研究人员说,这项研究表明,一颗行星的地质状况可能会对其表面上的任何生命产生影响,这一发现有助于确定太阳系以外的可居住系外行星,从而在宇宙中寻找生命。

文献

Mercury abundance and isotopic composition indicate subaerial volcanism prior to the end-Archean “whiff” of oxygen. 

BY Jana Meixnerová, Joel D. Blum Etc.

PNAS  17 AUG 2021

DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2107511118

原文始发于微信公众号(孤岛巨鲸):火山喷发与冒出的第一股氧气