研究表明，早期地球极度缺氧。事实上，在地球近46亿年历史的近一半时间里，可供呼吸的游离氧分子含量还不到目前大气氧含量的0.001%！
占现代大气21%的氧气，是通过一系列氧化事件慢慢积累起来的（点击这里详细解释氧气从哪里来我的生命是氧气给的，是谁给的？）。地球上发生了两次重大的氧化事件，我们称之为大氧化事件。特别是在5.8亿至5.2亿年前之间，早期地球大气和海洋中的氧气含量迅速增加，这要归功于一种名为——蒸发岩的石头。
早期地球环境（图片来源：南京古生物研究所）
9月2日，中国和英国科学家在《自然地球科学》《自然-地球科学》上发表论文。他们认为大规模造山运动将大量蒸发岩引入海洋。蒸发岩在海洋中充当氧化剂，在寒武纪大爆发之前造成大范围的缺氧。深海被氧化，导致大气和海洋中的氧含量迅速增加，为这一时期地球上大型、复杂、多细胞生命的快速进化奠定了基础条件。
蓝藻：虽然它们在努力产生氧气，但它们也在不断消耗氧气
第一次大氧化事件发生在大约24 亿年前。由于原核生物长期勤奋的光合作用，产生的氧气最终消耗了地球早期存在的大量还原性物质，还清了祖先留下的债务，开始了氧气的原始积累，使得地球上的氧气现代大气中的氧气含量达到1%，导致地球上首次出现真核生物。
然而，大气中的氧含量在十亿多年的时间里并没有进一步增加，甚至低于第一次大氧化事件期间的水平，从而阻碍了多细胞真核生物的进化。
地质历史时期的大气氧含量水平（图片修改自Poulton 等人，2017 年，《自然地球科学》）
关于前寒武纪海洋中氧含量为何长期很低的问题，学术界目前有一个理论模型，即有机碳库模型。该模型认为，前寒武纪海洋表面的透光带进行光合作用的微生物主要是原核生物（蓝细菌）。这些微生物死亡后的有机物很容易被氧化降解，并在海水中不断积累，消耗海水中大量的氧气，导致海水缺氧。也就是说，前寒武纪海洋中存在着巨大的有机碳库，阻碍了海洋和大气中氧含量的增加。
元古代海洋示意图（图片来源：南京古生物研究所）
前寒武纪缺氧的海洋就像一个巨大的现代沼泽池。水体中大量的腐殖质有机物不断消耗氧气，因而水体浑浊缺氧。只有当这片浑浊缺氧的海洋被氧化时，大气和海洋的含氧量才会增加。
蓝藻水华会消耗水中大量氧气，导致动物缺氧死亡，与这个过程有些类似（图片来源：光明网）
打破氧气生产-消耗死亡循环？
直到大约5.8亿至5.2亿年前，地球上才发生了第二次大氧化事件。大气中的氧气含量增加到现代大气中氧气含量的60%以上。海洋也被完全氧化，产生了多细胞真核生物。大辐射、动物的快速起源和寒武纪大爆发。
不久前，2019年5月6日，中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员和伦敦大学学院Graham Shields教授领导的中英国际合作团队在：010上发表了论文—— 30000，证明动物在大约5.2年前数十亿年前的周期性快速辐射演化（寒武纪爆发）是受大气和海洋中氧气含量控制的。然而，这项研究并没有回答什么控制大气和海洋中氧气水平变化的问题。
西伯利亚寒武纪早期碳、硫同位素和产氧量的变化与动物多样性的关系，表明该时期生物多样性和氧含量同时发生变化（图片来源：南京古生物研究所）
浑浊缺氧的前寒武纪海洋是如何变得清澈且富含氧气的？目前流行的假说是生物体与环境的共同进化模型。
该模型认为，当海水中的含氧量达到海绵等原始动物生存的最低要求时，它们一旦出现，就会捕食海水中的悬浮有机物，加速海水中有机物的消耗和埋藏，减少消耗海水中的氧气，最终导致海洋和大气中的氧气增加。随着含氧量的增加，微型浮游动物和复杂动物的出现，形成复杂的食物网，消耗海水中大量的有机物，以大型动物粪便和尸体的形式进入沉积物，大大提高了有机物的效率。事葬。动物进化与增氧之间形成正反馈机制。
寒武纪澄江生物群（图片来源：南京古生物研究所）
理论上，这种正反馈机制最终会表现为氧气增加的线性加速。但这与5.8亿至5.2亿年前大气和海洋含氧量多次大规模波动以及生物发生阶段性辐射演化的实际情况不符！
添加蒸发石
打破平衡的关键
在《自然-地球科学》发表的最新研究中，朱茂炎等中英合作团队分析了过去9亿年来全球海水碳酸盐的碳同位素（13C）演化，发现前寒武纪海洋有机碳储层显着减少距今5.7亿年后，表明这一时期深海已经开始氧化。直接证据是，在9亿至5.4亿年前的前寒武纪晚期，海水中的碳同位素（13C）值经历了多次巨大的负异常变化。这种现象在寒武纪大爆发之后就完全消失了。消失。其中，5.7亿年前发生的一次负碳同位素（13C）异常事件是地球历史上规模最大的一次。
距今9亿年前的海水碳同位素（13C）记录（图片来源：南京古生物研究所）
研究小组提出了一个新的地球系统模型来解释这一现象。他们认为，大约在5.7亿年前，地球上的各大大陆合并形成了冈瓦纳超大陆和位于超大陆内部的超中央造山带，风化剥蚀了大约8亿年前沉积的大量蒸发岩矿物。进入海洋。
冈瓦纳超大陆（图片来源：Zhao et al. 2018, Earth-Science Review）
富含硫酸盐的蒸发岩是一种氧化剂，可以通过硫酸盐还原菌氧化海水中的有机物，形成黄铁矿埋藏在沉积物中，导致当时海洋中的有机碳库迅速减少。同时，海洋中有机碳快速氧化，向大气中释放大量二氧化碳，进一步引起大气升温，加强陆地风化和蒸发物输入海洋，进一步氧化海洋中有机碳库，形成海洋正氧化过程。这种反馈机制导致大气和海洋中的氧气迅速增加。
海洋有机碳库蒸发岩风化与氧化正反馈模型图蒸发岩中的硫酸盐是地球氧化剂的电池。
有机物氧化后，碳同位素较轻的无机碳会释放到海水中。其结果是海水中的碳同位素（13C）值变得越来越轻。这一变化记录在这一时期沉积的岩石中。在冈瓦纳大陆形成之前，全球大量蒸发岩沉积的记录也支持了这一模型。
科研人员考察巴基斯坦盐岭地区，这里发育一套极厚的前寒武纪-寒武纪蒸发岩矿床（图片来源：南京古生物研究所）
此外，通过数学模型计算，海洋有机碳库氧化所需的蒸发岩输入海洋通量相当于新生代青藏高原隆升后输入海洋的蒸发岩通量，支持了新模型的合理性。
这个新模型也更加符合这一时期生物体的阶段辐射演化模型。与传统的生物与环境共同进化模型不同，新模型强调地球内部过程引起的岩石圈运动是地球表面系统发生革命性变化的原始驱动力。
新模型不仅验证了前寒武纪海洋存在巨大有机碳库的假说，而且为海洋巨大有机碳库的变化控制了多个大规模冰川作用的发生的假说提供了支持。地球处于前寒武纪末期。因为如果海洋中巨大的有机碳库不被氧化，大气中的二氧化碳就会不断减少，气候就会变得越来越冷。构造驱动的海洋有机碳库氧化向大气中释放大量二氧化碳，气候变得越来越温暖。
雪球地球过程（图片来源：Sustainability Corps）
正是由于海洋的氧化，海洋中的有机碳库变得越来越小，其对气候的调节作用也越来越弱。因此，寒武纪之后的地球从来没有出现过类似于前寒武纪的雪球。像地球上那样的极端冰河时代气候事件。
