有机碳|用时20亿年！地球变“富氧”咋这么慢
如今，地球大气的含氧量约为21% 。在很多年前，地球大气中的氧气含量仅为现在的1%，这一数值从1%增加到现在大气含氧量的60%以上，间隔了近20亿年 。为什么地球大气中含氧量的增加如此缓慢？
围绕这一科学问题，中科院南京地质古生物研究所（以下简称南京古生物所）研究员朱茂炎领导的中英合作团队采用多种地球化学指标并结合数学模型，结合三峡地区的地层剖面，首次系统论证了巨大海洋溶解有机碳库的存在是元古宙（约25亿～5.7亿年前）海洋彻底氧化迟缓的关键原因 。日前，相关研究成果发表于《地球与行星科学通讯》 。
质疑有机碳库模型
从太古宙（40亿～25亿年前）的无氧地球，到元古宙的低氧地球，再到显生宙（5.7亿年前延续至今）的富氧地球，地球上的生物也随环境的变化而发生变化——从原核生物，到真核生物，再到动物 。地球大气氧含量与生命演化之间的因果联系也成为当今备受关注的重要科学问题之一 。
朱茂炎向《中国科学报》介绍，早期地球极端缺氧，直至距今大约24亿年前后发生第一次大氧化事件，大气中的氧气达到了现代大气氧含量的1%水平以上，导致真核生物在地球上首次出现 。
然而，在随后长达十几亿年的时间内，大气氧含量并没有显著增加，一直到距今5.8亿～5.2亿年前后，地球发生了第二次大氧化事件，大气中的氧含量才增加到现代大气氧含量的60%以上的水平，从而可能触发了多细胞真核生物的大爆发，以及动物的快速起源和寒武纪生命大爆发 。
关于前寒武纪（地球从诞生到6亿年前）大洋中含氧量长期很低的问题，目前学术界有一个理论模型——溶解有机碳库模型 。该模型最早由美国麻省理工学院教授Daniel Rothman于2003年提出，其依据是新元古代（10亿～5.4亿年前）地层中记录的海水碳同位素的频繁负异常事件，并表现出无机碳和有机碳同位素变化之间的不耦合现象 。
该模型认为，前寒武纪海洋表层透光带内进行光合作用的微生物主要是原核生物，这些微生物死亡后的有机质颗粒细小、沉降速率慢，在海水中不断积累形成一个巨大的海洋溶解有机碳库，达到现代大洋溶解有机碳库1000倍以上 。
朱茂炎解释道，前寒武纪这种缺氧的海洋就像一个现代的巨大沼泽池，水体中大量腐殖有机质不断消耗着氧气，导致水体浑浊并缺氧 。“只有当这个浑浊并缺氧的海洋得到氧化，海洋和大气中的氧气含量才能够增加 。”
然而，溶解有机碳库模型随后遭到学界质疑，质疑的焦点集中在新元古代地球不可能提供足够的氧化剂来消耗或移除海洋中这一巨大的还原碳库 。
地化模型寻找氧化剂
那么，前寒武纪浑浊缺氧的海洋到底是如何变得清澈且富含氧气的呢？
还有一种假说是生物与环境协同演化模型 。这个模型认为当海水中氧气含量达到原始动物生存的最低需求时，比如像海绵动物这样的生物的出现可以通过捕食海水悬浮有机质，加速海水有机质的消耗和埋藏，减少海水中氧气的消耗，最终导致海洋和大气中氧气的增加 。
随着氧气含量的增加，微型浮游动物和复杂动物也会随之出现，从而形成复杂的食物网，进一步消耗海水中的有机质，再通过动物大颗粒排泄物和尸体形成沉积物，提高了有机物埋藏的效率，形成了动物演化与氧气增加的正反馈机制 。
朱茂炎指出，这种正反馈机制最终表现为氧气增加的线性加速，与5.8亿～5.2亿年前后大气和海洋氧气含量多次大规模波动、生物阶段性爆发演化的实际情况却不一致 。
2005年，《科学》发文提出，5.51亿年前存在一次全球碳同位素负异常事件，与有机碳库的氧化有关，使得海洋和大气中含氧量剧增，导致复杂生命的出现 。
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