地球/4b. 大气中的氧气
被归类为亲石元素，地球上绝大多数氧气存在于岩石中，特别是以SiO2和其他硅酸盐矿物和碳酸盐矿物的形式存在。在地球早期历史中，大气中大部分氧气与碳（CO2）、硫（SO2）或氮（NO2）结合在一起。然而，如今，游离氧气（O2）占大气的20.95%。如果没有今天大气中的氧气，你就无法呼吸空气，很快就会死亡。
地球上氧气的起源是地球大气与行星生命相互作用的伟大故事之一。大气中的氧气是在一个被称为太古代（40 亿至 25 亿年前）的漫长时期内产生的，当时生命第一次出现在地球上并在地球上多样化。
地球上早期的微观单细胞生命形式利用原始大气气体进行呼吸，主要是 CO2、SO2 和 NO2。这些原始生命形式被称为古菌或古细菌，源自希腊语 arkhaios，意思是原始。科学家将缺乏游离氧气的环境称为缺氧，字面意思是没有氧气。低氧，指的是氧气含量低的環境，而富硫則指的是既低氧又有大量硫化氫（H2S）的環境。这些类型的大气在太古代时期很常见。
太古代存在三种主要的古细菌生命形式，代表着不同的微生物单细胞生物群，所有这些生物体今天仍然生活在缺氧环境中。这些早期的古细菌都没有光合作用的能力，而是依靠化能合成，即生物体利用从无机化学反应中获得的能量合成有机化合物，通常在没有阳光的情况下。
基于甲烷生成的生物体利用二氧化碳（CO2），通过一系列复杂的化学反应在没有氧气的情况下将其转化为甲烷 CH4 和 CO2。甲烷生成需要一些碳水化合物（含有碳、氧和氢的大型有机分子）以及氢的来源，但这些生物体尤其在深海黑暗区域的海底沉积物中产生甲烷（CH4）。如今，它们也存在于许多动物的肠道中。
硫酸盐还原生物体利用二氧化硫（SO2）形式的硫，将其转化为硫化氢（H2S）。硫酸盐还原生物体需要碳源，通常以甲烷（CH4）或其他有机分子的形式存在，以及硫源，通常在火山喷口附近。
氮还原生物体利用二氧化氮（NO2）形式的氮，将其转化为氨（NH4）。氮还原生物体还需要碳源，通常以甲烷（CH4）或其他有机分子的形式存在。
所有三种类型的生命形式都表现出无氧呼吸，或者是不涉及游离氧气的呼吸。事实上，这些生物体产生在氧气存在下燃烧或燃烧的气体，因此氧化以释放能量。甲烷（CH4）和硫化氢（H2S）都是易燃气体，在富含有机碳的现代缺氧环境中大量存在，例如污水系统和地下石油和天然气储层。
在太古代，出现了一群新的生物体，它们将彻底改变地球的大气，它们被称为蓝细菌。作为第一个能够光合作用的单细胞生物体，蓝细菌将二氧化碳（CO2）转化为游离氧气（O2）。这使得微生物可以直接从大气或海水获得碳。然而，光合作用需要利用阳光或光子，这使得这些生物体无法永久生活在黑暗中。根据阳光的可用性，它们会在海洋表面季节性地生长成大型“藻类”水华。它们能够在富氧和缺氧环境中生存，因此繁荣起来。地球上最古老的宏观化石是被称为叠层石的化石“藻类”垫，它们是由生长在浅海中的蓝细菌分泌的薄薄的碳酸钙层组成的。这些碳酸钙层被保存为岩石中的带状，作为地球上一些最古老的化石。在显微镜下，蓝细菌以薄丝状生长，包裹在碳酸钙中。随着埋藏，蓝细菌加速了大气中二氧化碳的减少，因为越来越多的碳被隔离到岩石记录中，形成石灰石，随着时间的推移，其他有机物也被埋藏起来。
游离氧气首次出现在海水里，导致第五类生物进化出来，即氧化铁细菌，它们利用铁（Fe）。氧化铁细菌可以使用氧化铁 Fe2O3（在没有氧气的情况下）或氢氧化铁 Fe(OH)2（在有氧气的情况下）。在少量氧气存在的情况下，这些氧化铁细菌会产生固体氧化铁分子，这些分子会沉积在海底，形成赤铁矿（Fe2O3）的红色带。一旦有限的氧气被氧化铁细菌消耗殆尽，蓝细菌就会接管，导致菱铁矿的沉积，菱铁矿是一种碳酸铁矿物（FeCO3）。蓝细菌的季节性“藻类”水华，随后是氧化铁细菌，会导致岩石记录中形成年度层（技术上称为纹层或带），在赤铁矿和菱铁矿之间交替出现。这些波动受季节性温度的影响，因为温暖的海水比寒冷的海水含有更少的氧气，因此在冬季海水富含氧气时会沉积赤铁矿带。
这些铁矿带在整个太古代很常见，被称为条带状铁矿层（BIFs）。条带状铁矿层形成世界上一些最宝贵的铁矿石矿床，特别是在北美“铁锈带”（密歇根州、威斯康星州、伊利诺伊州和五大湖周围）。这些地区是太古代岩石占主导地位的地区，保存着这些含铁矿物厚厚的层状结构。
大约 25 亿到 24 亿年前，蓝藻迅速成为地球上最主要的生命形式。将二氧化碳 (CO2) 转化为游离氧 (O2) 的能力是一个主要优势，因为二氧化碳在当时的大气中和浅水中仍然很丰富。这也意味着游离氧 (O2) 在地球的大气层和海洋中迅速上升，并且迅速超过了氧化铁细菌使用的氧气量。由于蓝藻不受控制，光合作用导致大气中游离氧 (O2) 大量增加。这场危机导致地球大气层向现代富氧大气层的深刻转变，导致以前在地球上繁荣的许多缺氧生命形式消失。大氧化事件是单一类型的生命形式第一次以非常戏剧性的方式改变地球并导致地球发生重大气候变化。条带状铁建造消失了，一个新的时期在大约 24 亿年前被确定，即元古代。
元古代富氧大气层首次导致地球大气层中形成臭氧层。臭氧是三个氧原子键合在一起 (O3) 的结果，而不是两个 (O2)。这是由两个氧原子共享一个双共价键，其中一个氧原子与另一个氧原子共享一个配位共价键造成的。这使得臭氧具有高度反应性和腐蚀性，因为它很容易分解形成单个氧离子 (O-2)，它迅速与其他原子键合。氧气 (O2) 更加稳定，因为它是由两个通过双共价键连接在一起的氧原子构成的。臭氧有刺鼻的气味，并且有剧毒，因为它很容易氧化动植物组织。臭氧是石油和天然气田以及大城市中最常见的空气污染物之一，也是空气质量指数的主要因素之一。
然而，大多数臭氧存在于地球大气层的高处，在那里它形成了臭氧层，位于地球表面上方 17 至 50 公里之间，臭氧浓度最高约为 25 公里。臭氧是在大气中的这些高度通过与来自太阳的紫外线 (UV) 电磁辐射的复杂相互作用产生的。氧气和臭氧都阻挡了来自太阳的紫外线 (UV) 光，充当整个地球的防晒霜。氧气吸收波长在 240 到 160 纳米之间的紫外线，这种辐射导致氧键断裂，并导致臭氧的形成。臭氧可以进一步吸收波长在 200 到 315 纳米之间的紫外线，大多数小于 200 纳米的辐射被氮气和氧气吸收，导致氧气和臭氧阻挡更多以高能紫外线形式进入的电磁辐射。
氧气能够阻止进入的紫外线阳光到达地球表面，这对地球的气候产生了重大影响。氧气就像一个巨大的吸收罩，阻挡了高能紫外线，因此地球的气候开始急剧降温。较冷的海洋增加了氧气在较冷的水中的吸收，导致地球历史上这一时期海洋富含氧气。
一类新的单细胞生物通过发展有氧呼吸来利用增加的氧气水平，它们使用氧气 O2 以及复杂的碳有机化合物，并呼出二氧化碳 (CO2)。这些生物必须消耗其他生物才能找到碳（和其他重要元素）的来源，从而使它们能够生长和繁殖。由于氧气水平可能变化很大，这些单细胞生物也可以在没有氧气的情况下使用效率较低的一种呼吸方法，称为无氧呼吸。在这种情况下，除了二氧化碳外，还会产生乳酸或乙醇等废物。酒精发酵使用酵母，酵母通过无氧呼吸将糖转化为含有乙醇和二氧化碳的酒精饮料。酵母和其他更复杂的单细胞生物在这一时期开始出现在地球上。
单细胞生物通过将细菌 (原核生物) 纳入自身变得更加复杂，它们要么作为能够在细胞内进行光合作用的 叶绿体，要么作为能够在细胞内进行有氧呼吸的 线粒体。这些更大更复杂的单细胞生命形式被称为 真核生物，它们将演变成今天的多细胞植物和动物。
消耗二氧化碳/产生氧气的生物和消耗氧气/产生二氧化碳的生物之间的平衡或平衡持续了数十亿年，但地球上的气候变得比其历史上任何时期都冷。越来越多的二氧化碳被这些生物利用，而氧气迅速成为地球大气层中的主要气体，阻挡了更多太阳的高能紫外线。碳不断被埋藏，要么是作为有机碳分子，要么是作为碳酸钙，因为这些单细胞生物死亡。这导致碳从大气中长期隔离或去除。
大约 7.2 亿年前，大气中的二氧化碳含量降至如此低的水平，以至于冰盖开始形成。海冰从极地地区向赤道扩张。这是元古代结束的开始，因为海冰的扩张以其更高的反照率将更多太阳光反射回太空。在一个富含氧气的世界中，达到了一个临界点，冰覆盖了越来越多的地球表面。这是一个正反馈，因为不断扩张的冰通过提高反照率来冷却地球，并导致失控的气候变化。最终，根据保罗·霍夫曼的研究，整个地球都被冰覆盖。一个冰封的世界，即雪球地球，有效地杀死了生活在浅海中的许多光合生命形式，因为这些地区被冰覆盖，阻止了阳光穿透。就像木星的冰封卫星欧罗巴一样，地球现在也变成了一个冰冻的冰星球。这些巨大的冰川事件被称为斯图尔特、马里诺和加斯基尔冰川事件，发生在 7.2 亿到 5.8 亿年前。从太空中看，地球看起来没有生命，被雪和冰覆盖。
富氧大气层有效地与也会吸收氧气并产生二氧化碳的生命形式隔绝。如果地球上没有持续发生的火山喷发，地球上的生命会在其历史中的某个时刻结束，火山喷发会将埋藏的碳重新释放回大气中，作为二氧化碳。令人惊讶的是，如果二氧化碳完全从大气中消失，光合生命，包括所有植物，都无法在地球上生存，如果没有火山喷发释放的气体，地球今天仍然可能是一个冰冻的、几乎没有生命的星球。
大气中的二氧化碳水平缓慢增加（一种重要的温室气体），这些火山喷发缓慢地将地球从冰冻状态解冻，海洋变得无冰。生命幸存下来，导致了第一个多细胞生命形式的出现，以及第一个细胞群落，伴随着水母和海绵状动物的出现，以及在 埃迪卡拉纪（元古代的最后阶段）中发现的第一个群体珊瑚，以及在 元古代的最后阶段和 显生宙（一个新的时代，多细胞生命的时代）早期，多细胞植物和动物的多样化。
如今，二氧化碳是大气中的一小部分，占大气的 0.04% 以下，但二氧化碳在过去一百年里迅速上升，在世界许多地区超过 0.07%，在一个人的寿命中，地球大气中的二氧化碳含量几乎翻了一番。今天，世界正面临着新的气候危机，这种危机是由全球气温上升和大气中二氧化碳含量上升推动的。
| 上一页 | 当前页 | 下一页 |
|---|---|---|