10亿年前的动荡，揭示了一段惊人的历史

我们都知道，动物需要氧气才能生存。对如今的地球来说，21% 的大气是氧气，带来了相当宜居的环境。然而，在地球历史的大部分时间中，情况并非如此。

如果我们穿越回过去，前往大约 5 亿年前，可能就需要随身携带一个氧气瓶。但科学家还不太确定大气和海洋中，氧气随时间推移的绝对水平；也不确定是否是氧气水平的上升，促进了动物生命的进化，又或者，两者的关系可能是反过来的。这些问题引发了无数争论，还有数十年的研究。

近日，一组研究团队发现，地球大气中的氧气水平可能在 10 亿年前发生着剧烈波动，从而可能创造了可以加速早期动物的发展和进化的条件。研究已于近日发表在《自然进展》上。

氧气水平变化的三个阶段

科学家目前认为，大气氧气的发展大致可以划分成三个阶段。

首先是大约 24 亿年前的大氧化事件，当时，氧气首次出现在大气中，地球从一个基本无氧的世界，变成了一颗充满氧气的星球。而第三阶段则在约 4.2 亿年前，也被称为古生代氧化事件，大气中的氧气上升到了现代水平。

但科学家仍不确定的是，在这两者之间的第二阶段究竟发生了什么。这段时期被称为新元古代，大约始于 10 亿年前，持续了约 5 亿年，在此期间，地球上出现了早期动物的生命形式。

此后，越来越多的数据似乎指向了一段复杂而迷人的氧气历史。因此，在这项新研究中，科学家想知道，在新元古代，氧气水平的变化有没有什么特别之处，这可能在动物的早期进化中起到了关键作用，而氧气水平是突然上升的，还是缓步增加的？

碳的同位素

为了尝试回答这个问题，一组研究团队测量了浅海采样的石灰岩中发现的不同形式的碳，也就是不同的碳的同位素。

碳有许多天然存在的同位素，也就是原子核中质子数量相同，而中子数量不同的形式，因此，各种同位素的大小和质量略有差异。

研究着重测量了碳 -12和碳 -13，它们都不会发生放射性衰变。简单来说，植物在进行光合作用时更喜欢使用轻的碳 -12，这会让海水和后续在海底形成的岩石中富含碳 -13。

因此，当科学家在数百万年甚至数十亿年之后来分析这些岩石时，就可以根据两者的比率，计算出数亿年前存在的光合作用水平，并推断出大气氧气的水平。

根据计算，他们已经得出了过去 15 亿年来大气氧气水平的记录，这告诉了我们，有多少氧气会扩散到海洋中，从而支持早期海洋生物。这些发现为地球上氧气水平的变化方式提供了一个新的视角。

结果表明，在新元古代，氧气水平不是简单地跃升，它的变化实际上要动态得多。而且从地质的时间尺度上而言，这种变化非常迅速。7.5 亿年前，氧气占大气的约 12%，而后在短短几千万年里，它就已经下降到大约 0.3%，也就是 1% 都不到，接着在几百万年后再次上升。

也就是说，在早期动物生命形式出现之前的很长一段时间里，氧气水平其实是在高与低之间震荡，包含了早期动物生活的海洋环境含有丰富氧气的时期，也有氧气贫乏的时期。直到大约 4.5 亿年前，植物在陆地上获得了一席之地，情况才有了变化。

耐人寻味的结果

研究人员表示，这种环境条件的变化，反而会带来进化上的压力，一些生命形式可能灭绝，而新的生命形式也可能出现。

氧气水平高的时期扩大了所谓的 " 宜居空间 "，也就是说，部分海洋中氧气水平高到了足以支持早期动物生命形式。 一些生态学理论已经提出，当宜居空间出现扩张或收缩时，有可能支持生物生命的多样性的快速变化。

当氧气水平下降时，一些生物要面对严重的环境压力，这可能会驱动灭绝。而当富含氧气的水域扩大时，新的空间则让幸存者来到了生态中的主导地位。这些扩大的宜居空间将持续数百万年，为生态系统的发展提供了充足的时间。

他们同时提到，了解地球大气氧气的历史，或许是一份有用的指南，可以作为我们寻找地外生命的起点。