一项新的研究表明，地球向永久性充氧环境的过渡是一个停止过程，比以前认为的要花费一亿年的时间。
当地球在45亿年前首次形成时，大气层几乎不含氧气。但是24.3亿年前，发生了一些事情：氧气水平开始上升，然后下降，伴随着气候的巨大变化，包括可能覆盖了整个地球的数个冰川。
锁定在这个时代形成的岩石中的化学特征表明，到23.2亿年前，氧气已成为地球大气层的永久特征。
但是一项新的研究深入研究了23.2亿年前之后的时期，直到22.2亿年前，当行星终于达到永久性的临界点时，氧气水平仍在来回波动。这项新研究于3月29日发表在《自然》杂志上，将科学家称之为“大氧化事件”的持续时间延长了1亿年。这也可能证实氧合作用与大规模气候波动之间的联系。
研究合著者，加州大学里弗赛德分校的地质学家安德烈·贝克尔说：“我们现在才开始看到这一事件的复杂性。”
建立氧气
大氧化事件中产生的氧气是由海洋蓝细菌产生的，海洋蓝细菌是一种通过光合作用产生能量的细菌。光合作用的主要副产品是氧气，早期的蓝细菌最终产生了足够的氧气，可以永久地重塑行星的表面。
这种变化的特征在海洋沉积岩中可见。在无氧气氛中，这些岩石包含某些种类的硫同位素。（同位素是原子核中具有不同数量的中子的元素。）当氧气出现尖峰时，这些硫同位素就会消失，因为产生它的化学反应不会在氧气的存在下发生。
贝克尔和他的同事们长期研究了这些硫同位素信号的出现和消失。他们和其他研究人员已经注意到，大气中氧气的上升和下降似乎与发生在25亿至22亿年前的三次全球冰河活动相吻合。但是奇怪的是，那个时期的第四次也是最后一次冰川并没有与大气中氧气含量的波动联系在一起。
Bekker告诉Live Science，研究人员感到困惑。“为什么我们有四个冰川事件，其中三个可以通过大气氧的变化联系起来并得到解释，而其中四个却是独立的？”
为了找出答案，研究人员研究了来自南非的年轻岩石。这些海洋岩石覆盖了第三次冰期之后到大约22亿年前的大氧化事件的后期。
他们发现，在第三次冰川事件之后，大气首先是无氧的，然后氧气又上升又下降。氧气在23.2亿年前再次上升，这是科学家先前认为的永久上升点。但是在更年轻的岩石中，贝克尔和他的同事们再次发现了氧气含量的下降。这次降落与最后一次冰川融化相吻合，这是以前与大气变化没有联系的冰川。
贝克尔说：“在早期，大气中的氧气非常不稳定，它上升到相对较高的水平，然后又下降到非常低的水平。” “这可能是我们直到研究的最后4或5年才想到的。”
蓝细菌与火山
研究人员仍在研究造成所有这些波动的原因，但他们有一些想法。一个关键因素是甲烷，它是一种比二氧化碳更能有效捕获热量的温室气体。
如今，与二氧化碳相比，甲烷在全球变暖中起着很小的作用，因为甲烷与氧气反应并在大约十年之内从大气中消失，而二氧化碳则存在数百年。但是，当大气中几乎没有氧气时，甲烷持续的时间会更长，并且是一种更重要的温室气体。
因此，充氧和气候变化的顺序可能是这样的：蓝细菌开始产生氧气，而氧气当时与大气中的甲烷反应，仅留下二氧化碳。这种二氧化碳的含量不足以弥补甲烷流失所造成的变暖效应，因此地球开始变冷。冰川膨胀了，行星的表面变得冰冷。
不过，冰川下的火山使地球免于永久性的深冻。火山活动最终将二氧化碳含量提高到足以使地球再次变暖的水平。而且，由于蓝细菌接受的阳光较少，因此在冰雪覆盖的海洋中氧气的产生滞后，而来自火山和微生物的甲烷又开始在大气中积聚，进一步加热了生物。
但是火山二氧化碳含量还有另一个主要影响。当二氧化碳与雨水反应时，会形成碳酸，与pH值中性的雨水相比，其溶解岩石的速度更快。岩石的这种更快的风化将更多的营养物质（例如磷）带入海洋。超过20亿年前，这样的营养流入将使产氧的海洋蓝细菌变成生产狂潮，再次提高了大气中的氧气含量，降低了甲烷并再次开始了整个循环。
最终，另一处地质变化打破了这种充氧-冰化循环。这种模式似乎已经结束了大约22亿年前，当时的岩石记录表明被埋藏的有机碳增加，这表明光合生物正处于全盛时期。没有人确切地知道是什么触发了这个临界点，尽管Bekker和他的同事推测，这一时期的火山活动为海洋提供了一种新的养分流入，最终使蓝细菌获得了壮成长所需的一切。Bekker说，在这一点上，氧气含量足够高，可以永久抑制甲烷对气候的过大影响，而火山活动和其他来源产生的二氧化碳成为保持地球温暖的主要温室气体。
贝克尔说，世界各地还有许多来自这个时代的岩石序列，包括西部非洲，北美，巴西，俄罗斯和乌克兰。他说，这些古老的岩石需要更多的研究来揭示早期的氧合作用是如何工作的，特别是要了解起伏如何影响地球的生命。
最初发表在《生命科学》上。
