只有地球有高含量氧氣嗎?宇宙中可能也存在可呼吸的大氣環(huán)境!

一個(gè)多世紀(jì)以來，宜居的外星星球一直是流行文化的焦點(diǎn)。在19世紀(jì)，天文學(xué)家還認(rèn)為火星人可能會(huì)使用運(yùn)河為基礎(chǔ)的運(yùn)輸線路在火星穿行。而現(xiàn)在，盡管科學(xué)家們已經(jīng)可以研究離我們太陽系幾光年遠(yuǎn)的行星，但從大多數(shù)新研究來看，找到其他宜居星球的機(jī)會(huì)正在變得越來越小。其中，最大的障礙可能就是氧氣——人類定居者需要一個(gè)高氧氣含量環(huán)境來進(jìn)行呼吸。

那我們?cè)趺淳湍苓@么幸運(yùn)地生存在一個(gè)氧氣充足的星球上呢?地球海洋和大氣的歷史表明，其實(shí)，地球現(xiàn)在的氧氣水平可謂相當(dāng)來之不易。目前的共識(shí)認(rèn)為，地球大氣和海洋的氧氣水平經(jīng)過了三個(gè)上升階段才到達(dá)今天的水平，第一個(gè)階段被稱為“大氧化事件”(Great Oxidation Event)，大約在24億年前;之后是大約8億年前的“新元古代氧合事件”(Neoproterozoic Oxygenation Event);最后是大約4億年前的“古生代氧合事件”(Paleozoic Oxygenation Event)，當(dāng)時(shí)，地球上的氧含量達(dá)到了現(xiàn)代氧氣水平的峰值，即21%。

但這三個(gè)時(shí)期內(nèi)究竟發(fā)生了什么呢?這一直是一個(gè)有爭(zhēng)議的問題。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，新的生物對(duì)地球進(jìn)行了“生物改造”，它們通過它們的新陳代謝或生活方式重構(gòu)了大氣和海洋。例如，大約在4億年前，陸地植物的出現(xiàn)可能就通過陸地光合作用增加了大氣中的氧氣，取代了海洋中的光合細(xì)菌成為主要的氧氣制造者。另外，板塊構(gòu)造的變化或巨大的火山爆發(fā)也與地球的氧合事件有關(guān)。

這段以事件為基礎(chǔ)來講述地球氧氣變化的歷史表明，我們能夠生活在這樣一個(gè)高氧世界實(shí)屬非常幸運(yùn)。如果哪一次火山噴發(fā)沒有發(fā)生，或者哪一種生物沒有進(jìn)化的話，那么地球的氧氣水平可能都會(huì)停留在低位。但科學(xué)家最新的研究表明，事實(shí)其實(shí)并非如此。我們科學(xué)家們針對(duì)地球的碳、氧和磷循環(huán)建立了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，發(fā)現(xiàn)氧的變化可以用地球的內(nèi)在動(dòng)力來解釋，而且很可能并不需要什么奇跡。

缺失的環(huán)節(jié)——磷

科學(xué)家們認(rèn)為，關(guān)于地球氧合作用的理論中缺少的一點(diǎn)是磷。這種營(yíng)養(yǎng)對(duì)海洋中的光合細(xì)菌和藻類非常重要。海洋中含有多少磷最終將會(huì)決定地球上的氧氣產(chǎn)量，這從30億年前光合微生物進(jìn)化以來就一直如此，在今天仍然適用。

海洋中的光合作用依賴于磷，但高磷酸鹽水平也會(huì)通過一種被稱為富營(yíng)養(yǎng)化的過程導(dǎo)致深海中的氧氣消耗量增加。當(dāng)光合作用微生物死亡時(shí)，它們會(huì)自然分解，消耗掉水中的氧氣，而隨著氧氣水平的下降，沉積物會(huì)釋放出更多的磷，這個(gè)惡性循環(huán)會(huì)迅速地去除水中的氧氣，這就意味著海洋中的氧氣含量能夠迅速變化，但它們?cè)诤荛L(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都被另一個(gè)涉及到地幔的過程所緩沖。

縱觀地球歷史，火山活動(dòng)釋放出的氣體會(huì)與大氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)并將其從大氣中移除。隨著時(shí)間的推移，由于地幔的冷卻，這些氣體流量會(huì)逐漸減少，而我們的計(jì)算機(jī)模型表明，這種緩慢的減少，以及光合作用生命的最初進(jìn)化，是產(chǎn)生一系列氧氣水平階梯式增加所必需的條件。

這些階梯式的增加與地球歷史上的三個(gè)氧氣增加階段有明顯的相似之處。這個(gè)模型也支持我們目前對(duì)海洋氧合作用的理解，在海洋的氧合水平變得像今天這樣具有彈性之前，海洋氧合作用似乎涉及到無數(shù)的氧合和脫氧循環(huán)。

但真正令人興奮的是，這說明氧合模式并不需要艱難而復(fù)雜的進(jìn)化奇跡，也不需要災(zāi)難性的火山或地質(zhì)構(gòu)造事件。因此，一旦光合作用發(fā)生之后，地球似乎就會(huì)不可避免地出現(xiàn)氧合作用，增加氧氣含量，這表明，在宇宙的其他地方存在高含氧量星球的機(jī)會(huì)可能比我們以前想的要大得多。

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