氧气是如何在地球的深度冻结中发挥作用的

大约25亿年前，地球还是一个外星世界，对我们周围大多数复杂的生命都是不友好的。这是一个细菌统治的星球，特别是一种细菌——蓝细菌，他是通过光合作用慢慢地改变着它周围的世界。

早期地球的大气缺乏氧气。这在所谓的大氧化事件(GOE)中开始发生变化。GOE指的是地质学家和地球化学家在25亿至23亿年前的岩石中观察到的一系列化学变化。这些变化是古代蓝藻释放氧气的结果。这种细菌群落生活在浅水海水中，并保存在岩石中，这种结构被称为叠层石。

澳大利亚鲨鱼湾的现代叠层石。

我们知道，GOE与地球上一系列的冰期有关，其中至少有一次被认为是第一次“雪球地球”事件——严重的冰期导致冰原延伸至热带地区。虽然这次冰川期可以追溯到大约24.2亿年前，但大氧化事件发生的确切时间不确定，意味着无法确定是哪一次先发生;是氧化作用还是地球冰期?

两种情况都有假设和论据支持。如果冰川先出现，很可能是因为冰川磨碎的岩石中提取的营养物质在冰盖融化时被河流和洪水冲进了海洋。一旦进入海洋，这些营养物质可能会刺激蓝藻的繁盛，从而增加氧气的产生。

在波罗的海的蓝藻开花。

相反，GOE期间大气中的氧化作用会使甲烷不稳定，甲烷是一种温室气体，被认为在早期的大气中浓度更高。甲烷含量的迅速下降会导致温室效应的崩溃，从而引发气候的突然和严重降温。

寻找硫

为了调查这次大氧化事件发生的时间，我和同事们检查了从俄罗斯西北部的科拉半岛钻取的两个岩石“岩心”，离芬兰和挪威不远。这些沉积岩是在2.5亿至24.3亿年前沉积在浅海中的。我们使用苏格兰圣安德鲁斯大学开发的最先进的技术分析了它们所含的硫，我们的研究结果发表在PNAS杂志上。

这些有25亿年历史的岩石，含有有或无氧行星的痕迹。

我们之所以研究硫，是因为硫同位素——即不同原子质量的硫原子——是氧化石墨烯最有力的“指纹”。这些硫同位素的相对含量通常是可以预测的。然而，在年龄超过25亿年的岩石中，这一规律就不成立了。如果当时的大气缺氧，由大气中的光化学反应引起的某些不可预测的比例就会保存在岩石中。因此，我们可以利用具有这种不可预测的同位素比率的硫从古代岩石中消失的时间点来确定火山爆发的原因。

我们在观察的较老的俄罗斯岩石中发现了证据，但在较年轻的岩石中却没有。这是有力的证据，表明这次火山爆发发生在2.5亿至24.3亿年前的7000万年之间。这比之前对GOE的估计要早，但我们认为这与南非、北美和澳大利亚的硫同位素记录是一致的。

重要的是，考虑到雪球地球沉积物的年龄限制，我们现在可以说，在最严重的冰河时期之前，就有大地震了。正如其他人所主张的那样，我们得出的结论是，大气中氧气浓度的上升很可能降低了甲烷的水平，削弱了温室效应，从而推动地球进入一个主要的冰期。

那么，为什么这很重要呢?当我们采取更大的步骤来评估太阳系中其他行星和卫星以及外部行星的宜居性时，理解地球上发生的地质变化背景下的生命进化是至关重要的。如果我们用望远镜观察远古的地球，我们会认出一个适合居住的世界吗?

此外，随着我们继续通过不断增加的人为温室气体排放来改变我们的大气层，并考虑通过直接从空气中去除温室气体来减缓气候变化的方案，我们了解地球气候在遥远过去如何变化的极端情况是很重要的。大氧化事件让我们想起地球上的生命向大气中排放无法控制的“废气”的时代。虽然这促成了像人类这样复杂生命的最终进化，但它永远地改变了地球历史的进程。

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