由于藻類和植物的光合作用，氧氣作為副產(chǎn)品產(chǎn)生并釋放到大氣中，導致大氣氧含量的上升（圖1）。然而，光合作用理論并不能完全解釋氧氣水平的增加。這是因為當藻類和植物死亡時，它們會被微生物吞噬，這是一個從大氣中消耗氧氣的過程。因此，大氣中的氧含量是光合作用產(chǎn)生的氧氣與死亡植物和藻類分解后損失的氧氣之間的平衡。
為了使大氣中的氧氣含量更高，分解的過程必須被減緩或停止。這是通過所謂的礦物促進的有機碳保存來實現(xiàn)的，海洋中的礦物，特別是鐵氧化物顆粒（Xiao et al., 2023, NREE），與死去的藻類和植物結(jié)合，并抑制它們的腐爛和分解?？偟慕Y(jié)果是氧氣水平的增加。
多年來，科學家們一直知道礦物顆?？梢耘c死亡藻類和植物等有機物結(jié)合，使它們不易受到微生物的攻擊，并保護它們不受腐爛過程的影響。然而，鐵氧化物促進的有機碳埋藏對大氣氧演化的影響目前還缺乏理論模型和數(shù)據(jù)支持。
圖1 地球富氧的大氣 （來源：Elen11/iStock ）
中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所趙明宇副研究員與英國學者合作，開發(fā)了一個新的包含碳、氧、磷、硫、鐵等循環(huán)的全球生物地球化學模型（圖2）。在這個模型里，研究者加入鐵氧化物促進的有機碳埋藏。通過模型的運行，他們發(fā)現(xiàn)相較于磷風化，鐵氧化物促進的有機碳埋藏是影響大氣氧含量的一個獨立的因素，可以引起大氣氧含量發(fā)生數(shù)量級的變化。另外，模型結(jié)果還表明磷風化對大氣海洋氧含量的影響程度受控于鐵風化的通量。在鐵風化通量高的時候，磷風化的降低并不能導致海洋大氣氧含量發(fā)生顯著的變化。
研究者進一步統(tǒng)計了頁巖中鐵氧化物含量在地質(zhì)歷史時期演化的數(shù)據(jù)，總共統(tǒng)計了81個文獻的6381個數(shù)據(jù)。這一數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明沉積物中鐵氧化物的儲庫在新元古代發(fā)生顯著的增加，這很好地對應了同時期大氣氧含量的增加，即NOE事件。這一對應關(guān)系從數(shù)據(jù)上進一步證明了鐵氧化物促進的有機碳埋藏在大氣氧演化過程中的作用。另一方面海洋-大氣的氧化會進一步將沉積物中的黃鐵礦氧化成鐵氧化物，這些新增的鐵氧化物又會更加促進有機碳的埋藏，形成一個正反饋機制。
大氣中氧氣的增加對生命的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。它導致了越來越復雜的生物的進化。這項研究不僅加深了對地球大氣層充氧方式的理解，還讓我們得以一窺復雜生命在其他行星上發(fā)展所需的條件。這項研究提供了一個新的理解，即地球大氣層是如何變得富氧的，這最終使復雜的生命形式得以進化。地球上有水只是故事的一部分。需要有陸地來提供礦物顆粒的來源，這些礦物顆粒最終會流入海洋，最終導致星球大氣氧含量的上升。
圖2 地質(zhì)歷史時期頁巖中的鐵氧化物含量與大氣-海洋氧含量的演化
研究成果最近發(fā)表于國際學術(shù)期刊Nature Geoscience（Mingyu Zhao*, Mills B J W, Homoky W B, Peacock C L. Oxygenation of the Earth aided by mineral–organic carbon preservation. Nature Geoscience， 2023. DOI: 10.1038/s41561-023-01133-2）.
