地球往事：大氧化事件，是谁掀起了远古氧气革命？

2009 年 8 月的一个清晨，万里无云，晨曦把澳大利亚西部的一片旷野染成了漂亮的金红色。此时如果能从太空向下俯瞰，就能看到超过 50 万平方公里的赤红色的土地。这里就是全世界最大的铁矿石产地——皮尔巴拉克拉通地区。

在一座已经被重型矿机挖掉了一半的小山脚下。几台巨型矿车有序地将挖下来的矿石运走，巨大的车轮扬起一片片红色烟尘。

一辆白色的越野车赶了一夜的山路，缓缓地停在矿车扬起的烟尘之中。车上下来一行人，为首的是一位头发全白，但身体依然健硕的老人，他就是地球化学家大本洋，随行的是他的几名学生。他们脸上洋溢着微笑，似乎丝毫都没有被矿场里恶劣的环境所影响。

一名学生蹲下身子，捡起一块赤红色的岩石问道：“教授，这里就是地球上最早的地壳区块吗？”

“是的。”大本洋回答道：“皮尔巴拉克拉通的岩石显示了超过 35 亿年的地球历史，这里还有最古老的微生物活动遗迹。如果我们足够幸运，应该能在这些新开采的铁矿断面上找到我们想找的东西。”

这里几乎没有路，年过六旬的大本洋只能在学生的搀扶下沿着矿山的断面缓缓前行。接近中午的时候，一个学生突然指着前方的一个断面大叫起来：“老师，那个是不是？”

就在众人前方七、八米的高度上，一片层次分明的岩壁显露出来，红褐色的赤铁矿与灰白色的菱铁矿层次分明地交替出现，宛如一块自然形成的“五花肉”。

大本洋走过去，拿起放大镜仔细地看了起来，边看边激动地说：“就是这里，就是这里，终于找到了，这块岩壁就是地球历史的见证者！它们证明，在我们的地球上，早在 35 亿年前，它们就已经出现了，这真是奇迹啊。”  

那么，这块巨大的酷似五花肉的石头到底能说明什么，让这位老人如此兴奋？今天的科学有故事节目，让我从一个古老而又迷人的科学谜题开始：地球上的氧气是怎么来的？

听到这个问题，你可能稍微会有点儿奇怪，这难道能成为一个科学谜题吗？如果查询一下地球上的所有元素构成比例，我们很容易发现，氧元素是地球上含量最为丰富的元素。我们地球总质量的 15.2% 是氧原子，这相当于12个月球那么重。而整个地壳物质的将近一半质量是由氧原子贡献的。我们从地上随便捡起一块石头，大概率来说，构成这块石头的原子中最多的就是氧原子。在这种情况下，地球上充满了氧气难道不是很正常的一件事情吗？

如果你是这么想的，说明你可能还没有学过化学，或者把初中的化学知识还给老师了。地球上的氧元素虽然极为丰富，但是，这绝不意味着氧气也应该丰富。要知道，太阳系中绝大多数像地球一样的岩石行星，都拥有无比丰富的氧元素，但是，只有地球拥有丰富的氧气。而且，如果我们把视野扩展到宇宙，天文学家们已经发现了数以百计的系外类地行星，但没有在任何一颗行星的大气中发现氧气的踪迹。我们甚至可以说，氧气是我们这颗蓝色星球最为独特和迷人的特征，没有之一。

这是为什么呢？

原因是，氧元素太过活跃了。在非金属元素中，氧元素是仅次于氟以外第二活泼的元素。由于活跃的化学性质，氧可以和元素周期表中大部分的元素进行结合产生氧化物，甚至“惰性气体”中的氪、氙也能和氧元素结合。

只要有机会，氧气就会与各种各样的物质发生反应。年久发黄的照片、青铜器上产生的铜绿、油脂搁置一段时间产生的“哈喇味”，都是氧气在作祟。不仅燃烧会消耗氧气、呼吸要消耗氧气，就连家里的塑料制品、墙面漆、金属器皿、大理石地砖，这些看起来很稳定的东西，都在慢慢地发生着氧化反应。洁白的大理石放久了就会发黄，也是因为其中的铁元素发生氧化的结果。

生锈的大理石，图源网络

换句话说，氧气不可能在地球上独立存在很久，它是一种易耗品，如果不能持续地生产它，地球上的氧气就会在一段时间内消耗得一干二净。因此，要让我们的地球充满氧气，就必须要有某种氧气工厂，或者说某种物理化学机制，源源不断地制造氧气。

或许你已经想到了，地球上的这种产生氧气的机制叫做“光合作用”，但你可能不知道的是，这是我们这颗星球上唯一能大规模、高效率制造氧气的机制。除了生命的光合作用，我们在地球上甚至在全宇宙中都没有找到任何其他类似的机制，产生氧气，似乎是生命在这个宇宙中独有的本领。

天文学家们在观测其他星球的时候，他们总会特别关注液态水、氧气、甲烷、氨气这些物质的痕迹。因为一旦找到这些物质，就预示着这些星体上有可能产生生命。不过，天文学家们最希望找到的，还是氧气。如果说发现了水和甲烷就预示着存在生命的可能性的话，那么发现氧气几乎就等同于发现了外星生命。不过很遗憾，天文学家们还从未在外星球上找到过大量氧气存在的痕迹。

当然，这里有一个逻辑问题你必须注意到。氧气预示着生命这是个真命题，但这并不意味着它的逆命题，也就是生命都需要氧气也为真，实际上，生命必然是从一个没有氧气的环境中诞生的，地球上最早一批生命显然是不需要氧气的。即便是在今天的地球上，不需要氧气的厌氧微生物也是大量存在的，他们广泛生活在没有氧气的海洋深处、地层深处。

厌氧菌，图源网络

很早以前，科学家们就对一个问题特别感兴趣，地球上第一批能制造氧气的生物是从何时诞生的，是怎么诞生的？

回到地球刚刚形成的时期，也就是距今大约 46 亿年前。当时的地球无比炽热，熔岩、火山灰裹挟着大量的水蒸气从勉强凝固的地表喷涌而出，遮天蔽日。而整个地球表面都流淌着滚烫的岩浆，如同炼狱。

足足经历了 1 亿年的冷却，地球才终于开始降温。大气中的水蒸气凝结在漂浮的火山灰上沉降下来，造成了长达数百万年的降雨。硬是在地球表面形成了覆盖整个地球的原始海洋。

此时，整个地球都被海洋淹没，但地壳下的岩浆依然在蠢蠢欲动，巨大的能量将地下水加热到几百度，在海底形成了一个个高温热泉喷口。就像火山喷发时，火山灰和熔岩会堆积成火山口一样，海底热泉中包含的大量矿物质也会沉积下来，形成一个个形如烟囱的柱状圆丘。

富含硫化物的高温热液，在冰冷的海水中迅速冷却，析出了大量金属硫化物的颗粒。看起来就像是一股股黑烟，于是，科学家们就形象地把这种海底地貌称之为“黑烟囱”。今天，我们在大洋底部，那些地壳板块的结合部，依然能看到活跃的黑烟囱。

现在的主流科学观点认为，“黑烟囱”就是地球生命起源的地方。

这是一个全新的舞台，没有任何的一定之规，一切都是新的，一切皆有可能。任何生命形式，只要找到了能把自身遗传物质传递下去的办法，那就有着生存的希望。“黑烟囱”旁边的海水高温、高压、富含金属硫化物和多种矿物质，但唯独没有氧气。所以，最终嗜热厌氧的硫细菌获得了生存优势，成为了这个时代生态圈中最重要的一环。

另外一类重要的生物是产甲烷菌。所以，原始地球的大气，主要成分是二氧化碳、二氧化硫、水蒸汽、氮气和氢气，而产甲烷的生物可以利用二氧化碳和氢气，产生甲烷气体。对于这些生物来说，氧气不只是无用，更是巨毒的。它们一旦和氧气接触，氧气的强氧化性就会让它们迅速死亡。

那么，我们的地球到底是从什么时候开始出现了产氧气的微生物呢？这个问题，无论对于地球科学、环境科学亦或者是生物学，都无比重要。

上世纪70年代，美国地质学家普雷斯顿·克洛德（Preston Cloud）在观察 20 多亿年前形成的铁矿时发现，这个地质年代形成的铁矿，总会呈现出一层颜色深，一层颜色浅的特征。远远看起来，这些富含铁元素的岩层就像是一大块五花肉，浅色的脂肪由黄铁矿（FeS2）和菱铁矿（FeCO3）混合而成，而深红色的瘦肉则是氧化更加充分的氧化铁（Fe2O3）。这种五花肉矿石并不罕见，我在很多地质博物馆或者民间的石头爱好者那里，都看到过这种五花肉石。

克洛德对这种石头特别感兴趣，经过仔细研究发现，在距今 25 亿年以及更古老的地层中，铁矿主要以黄铁矿和菱铁矿的形式存在，在距今 18 亿年以后的地层中，则只存在赤铁矿。

克洛德马上就意识到，这种五花肉石就是大自然记录地球大气中氧气含量变化的天然史书。在 25 亿年以前，地球的大气中几乎没有氧气，白色的黄铁矿和菱铁矿沉积下来。到了 18 亿年前，地球大气中的氧气已经十分充足，无论是黄铁矿中的硫化铁，还是菱铁矿中的碳酸亚铁，都必然会与氧气反应，变成充分氧化的氧化铁，呈现出红色。

这种红白相间呈现出五花肉外观的铁矿床，只存在于 24 亿年到 19 亿年之间的地层中。大气中含氧量的波动，造成了赤铁矿和黄铁矿、菱铁矿的交替沉积。克洛德把这一现象称之为大气氧化事件，简称为大氧化事件。

也就是说，我们的地球一定是在 24 亿年前这个时间段，大气中的氧气开始出现爆发式地增长，那么，到底是什么生物拥有改造整个地球大气圈的本事呢？这种生物不难发现，因为它们数量巨大，且遍布全球。

这就是在地球的历史上扮演着创世纪角色的——蓝细菌。

按照今天的生物学划分，蓝细菌不是植物，甚至和植物的亲缘关系非常远。但是它们的行为和生命过程，却又和植物非常类似，因此科学界给了蓝细菌“类植物”的名分。当然蓝细菌也不是一种生物的名称，而是一大类物种的统称。不过，在接下来我要讲述的故事中，你会发现蓝细菌和植物的关系远没有这么简单，它们不仅仅是类植物，它们还是植物的祖先。

但是，当科学家们找到蓝细菌后，一个更大的谜团马上接踵而至。这些蓝细菌到底是怎么称霸全球的，至少有以下这些谜题困扰着科学家们：

第一、蓝细菌需要阳光，因为产生氧气的光合作用必须要有阳光。但是，作为一种脆弱的单细胞生物，如果生活在深海，就得不到阳光，如果生活在浅海，那强烈的紫外线就会毫不留情地杀死它们。别忘了，当时的大气中连氧气都没有，就更别提能够阻挡紫外线的臭氧层了。

第二、蓝细菌需要的氮、磷等元素，在当时的海洋中非常匮乏，它们是怎么在贫瘠的海洋中完成扩张的。

第三、氧气虽然能迅速杀死它的竞争者，也就是厌氧生物。但问题是，氧气太活泼，它很容易与地壳中的各种元素不断地发生着氧化反应，这让氧气很难聚集起来。它又是怎么从厌氧生物的重围中杀出一条血路的？

第四，也是最奇怪的，就是处在优势地位的产甲烷细菌不断向空气中释放着大量的甲烷，而甲烷会与空气中本来就所剩不多的氧气继续发生反应，生成水和二氧化碳，把剩余的氧气消耗殆尽。因此，无论从哪个角度来说，蓝细菌在产甲烷细菌面前，都处于弱势地位，它们到底是怎么完成小人物逆袭的？

以上这些谜题的答案都是同一个，那就是，地壳板块运动。

首先是板块的碰撞推高了山脉，山脉在雨水的冲刷下，将大量蓝细菌需要的营养元素释放到海洋中，成为了蓝细菌的养料。特别是在刚刚形成的浅海，海水深度适中，既能抵挡紫外线的伤害，又有充足的阳光射入，随时能够补充营养物质，更为蓝细菌的持续生存提供了条件。

由于板块运动，一部分原本处于地壳深处的长英质岩石被抬升到地表，取代了原来的玄武岩。相比于玄武岩，长英质岩石不容易发生氧化，所以对氧气的消耗较少。地球表面的氧化效率下降，让更多的氧气有机会被释放到大气当中。

最重要的一个变化有些机缘巧合。随着地壳的进一步冷却，地球上的火山活动逐渐减少。这就导致由火山释放到海水中的镍元素供应不足。科学家们对古老地层岩石的研究表明，在大约25亿年前，镍的含量只有之前的一半。这个看起来与生命毫不相干的的变化，却为蓝细菌的敌人——产甲烷细菌带来了生存危机。

镍是一种金属元素，具有磁性。在地球上，我们很难找到镍金属的单质，因为镍非常容易和氧结合形成氧化物。在地壳中，镍总是与铁结合在一起，科学家们猜测，我们的地核正是由镍铁混合物组成。而对于产甲烷生物来说，镍是至关重要的元素。如果缺少镍，对它们起关键影响的酶就会遭到严重破坏。

镍元素的减少，严重限制了产甲烷细菌的繁殖。释放到空气中的甲烷减少，也让空气中的氧气有了积累下来的可能。产甲烷细菌不仅要面对缺镍带来的生存危机，还要面对蓝细菌释放的致命氧气，此消彼长之下，蓝细菌终于成了这场持续几亿年的持久战的最后赢家。

对于蓝细菌来说，这是历史转折的一刻。蓝细菌利用随处可见的二氧化碳和水，在阳光的帮助下，合成出自己所需的各种有机物质，顺便把“废气”——氧气，排出到环境中。更重要的是，蓝细菌进化出了一种叫做加氧酶（RuBisCo  核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶）的蛋白质，它或许早在 30 亿年前就已经出现，它会在蓝细菌体内浓缩二氧化碳和水，帮助蓝细菌将这些原材料变成身体所需的成分。在非常短的时间内，蓝细菌从浅海扩张到了海洋的每个角落，源源不断地将氧气从蓝细菌的体内排出，进入海洋，再从海洋进入大气。

随着海洋中逐渐充满氧气，海底和陆地表面的岩石也更多地接触到了氧气，这让地球的环境进一步发生改变。由于氧气活泼的性质，更多的矿物质因为氧气的加入而呈爆发性的增长。在大氧化事件之前，地球上大约只有十几种矿物，而随着氧气的加入，如今有 4400 多种矿物质出现在了地球上，它们大多数都是以氧化物或者结晶水矿物的形式出现。

而一旦氧气进入到了大气，由于它活泼的性质，非常容易就会和甲烷等有机气体反应，一次闪电、一次火山喷发，就足以产生毁灭性的火灾。燃烧之后产生了更多的水和二氧化碳，这为蓝细菌提供了更充足的营养，却进一步打击了包括产甲烷生物在内的厌氧生物。一次大屠杀，伴随着氧气的增加而到来。

氧气的出现，对于厌氧生物来说已然是致命的打击。雪上加霜的是，随着蓝细菌的兴起，二氧化碳逐渐代替了甲烷。尽管我们现在都知道二氧化碳是温室气体，但它的保温性和甲烷相比要低得多，这导致了地球的温度在非常短的时间内急剧下降。自 24 亿年前至 21 亿年前左右，地球足足下了 3 亿年的雪。在这场“休伦冰河时期”，整个地球变成了“雪球”，从两极到赤道全部结冰，赤道地区的海洋至少被 1.6 千米厚的冰层覆盖，平均气温下降到了零下 50℃ 左右。连一部分蓝细菌都因为这场自己创造的灾难惨遭灭绝。尽管距离今天太过于久远，我们很难准确计算出这次事件究竟造成了多少生物的灭亡，但科学家估计当时地球上至少 80% 到 99.5% 的生物死亡了。直到今天，侥幸活下来的厌氧古细菌生物只能在地球非常极端的环境下生存，要不就是浓度极高的盐湖，要不就是海水温度高达 70-80℃ 的海底火山口附近。只有在别的生物无法或者不屑生存的环境，才能找到这些古老的生物，它们在黑暗之中唏嘘着曾经的辉煌。

有失败者，就会有胜利者。蓝细菌站到了舞台的中央，氧气作为地球上重要的气体，成为了所有生物都必须考虑的生存因素。很多原核生物演化出了既可以在好氧环境下生存，又可以在厌氧条件下生存的绝技。比如我们熟知的乳酸菌，它更喜欢在无氧的条件下生存，但它也不会因为和氧气接触而死亡。其次，伴随着数量的增加，氧气也从地表扩散到了地球大气的平流层，在那里它们遭受了紫外线的“攻击”，由两个原子组成的氧气被打散，然后形成了由三个氧原子组成的臭氧，这阻挡了更多的紫外线进入地球表面，为新生的生物，尤其是陆地生物平添了一层保障。

更重要的是，氧气的活跃性让化学反应的速率加快了许多，这就让生物有了更多的能量去发展自己。单细胞结构对于生物来说已经太简单了，生物需要分化出更多的细胞，组成不同的结构去消耗多余的能量。因此，很快，真核生物开始出现，有了专门的细胞器去分配能量；多细胞生物也开始出现，生命的形态也越发多样。如何生产和消耗氧气，成为了后世生物必须攻克的课题。

其中的一部分生物，选择了追随蓝细菌的道路——蓝细菌化身为它们身体中的叶绿体，将古老的传统沿袭至今，它们就成为了今天的植物，利用光合作用生存。

另外一部分生物，选择了把氧气作为生存的条件，因为这是地球上最容易获得的资源之一。虽然它有无数的缺点，但是数量充裕和化学性质活泼，就是它最大的优点。这些生物就成为了今天的动物，利用呼吸作用生存。

故事讲到这里似乎应该告一段落了，但科学家们却没有停下研究的脚步。原因是，虽然我们知道了大氧化事件发生的时间，却仍然不知道蓝细菌作为唤醒了地球生物圈的最大功臣，到底是什么时候出现的。我们只知道它们在地球上繁盛的时间，却不知道它们已经默默努力了多久。

就职于美国宾夕法尼亚大学的地球化学家大本洋（Hiroshi Ohmoto）一直带领着他的研究小组，尝试着寻找含有氧化物且比 24 亿年更加古老的沉积岩。

他们相信，在更古老的年代里，即便蓝细菌在生存上并不占优势，但仍在兢兢业业地释放着氧气。即便这些氧气根本没有机会进入大气，它们也会在海水中发生着无法忽视的氧化反应。而这些海水中的氧化物，最终会沉入海底，变成古老的沉积岩，记录下蓝细菌生存过的痕迹。

大本洋带领团队深入地下，寻找从未被风化作用影响过的古老岩石，仔细测定岩石的成分，希望找到氧气存在过的蛛丝马迹。

功夫不负有心人，2009 年，大本洋团队终于在澳大利亚西北部皮尔巴拉克拉通的一座山底部，找到了一片非常古老的铁矿床。这片铁矿床由赤铁矿和菱铁矿交替堆叠形成，就像一块巨大的五花肉。经过年代测定，铁矿床的年龄超过了 34.6 亿岁。这意味着，早在 34.6 亿年前，蓝细菌就已经开始兢兢业业地改造我们的星球了。

对于人类来说，34.6 亿年是一个漫长到不可思议的时间尺度。作为植物的共同祖先，蓝细菌竟然把自己曾经努力生存的信息，通过创造矿物的方式留存了下来。

这是两个伟大的物种跨越数十亿年的对话，更是一次关于生命的有力宣言。我们曾经以为，是地球孕育了万物生灵，但听了蓝细菌的故事之后，我们不得不感慨，这美丽的地球，又何尝不是生命创造的奇迹？

* 本期内容来自即将出版的《植物的战斗2》，敬请期待 👏

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