新的理论认为，早期地球中的海洋微生物与矿物质偷偷地让地球逐渐充满氧气

大部分地球上的生命都可以被粗略地分类为耗氧者及产氧者。这个供给者与需求者间的细緻平衡让我们地球大气中氧气的浓度维持于约 21%。然而，并非一直都是如此。

新理论

在地球存在后的前几个十亿年间，氧气量相当稀少。接著，似乎不知从哪裡出来的，这种双原子气体浓度突然间增加。更多的氧气被提供而不是被消耗，但是是如何且为什么发生了？

科学家多年来一直思考著这些谜团，而现在，麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的研究人员有了一个新的假说。或许有些微生物是在产氧者与耗氧者之间徘迴著。

我们已知深海中的微生物使用氧气来分解有机物质。但如果另一种微生物在其他消费者可以获得这些海洋中氧气前，就已经先将它们用掉了呢？

理论上来说，如果一种微生物只部份地氧化有机物质，则有很高的机率，残留下来的物质会与海底沉积的矿物质进行化学连结。

这个氧气掩埋会让有机物质更免于完全氧化，而同时又会被更贪婪的微生物所分解。因此，氧气浓度有机会在渗入大气层之前，在水中建立起来。接著，海洋又能够再一次吸收氧气，形成一个正向的回馈迴路。

地球生物学家果戈里·傅利尔助理教授（Gregory Fourier）回想说：“这让我们想问，在那裡是否有微生物代谢（microbial metabolism），会产生部份氧化有机物质（partially oxidized organic matter，POOM）？”

基因贡献

结果，是真的有。在搜寻科学文献后，傅利尔助理教授与他的同事－尚海涛研究生（音译）与丹尼尔·罗斯曼教授（Daniel Rothman），得出了一个细菌组，称作 SAR202。

这组现代细菌能够在今日的深海中部分地氧化有机物质。它们能够透过一种称作 Baeyer-Villiger 单加氧酶（Baeyer-Villiger monooxygenase，BVMO）的酵素来达成这件事。

当在追踪这种酵素的遗传谱系时，研究作者们发现，它存在于在大氧化事件（great oxidation event）之前演化的微生物之间。而且，地球早期氧气激升似乎与这种基因的扩张相吻合。换句话说，随著部分氧化有机物质的能力在微生物之间扩散，在大气当中的氧气浓度也跟著增加。时机点可能是个巧合，或者可能意味著，带有这些基因的微生物帮助开启了大氧化事件。

随著氧气在环境中越来越容易获得，它很有可能协助其他微生物中类似氧化代谢的多样化。研究作者写到：“这很有可能是反直觉的：毕竟，氧化代谢过程是会消耗氧气的。然而，一个潜在的重要正回馈，就存在于氧化代谢产物与沉积环境中的矿物质的反应。”

部分氧化的有机物质会跟海底沉积中的矿物质表面键结得更紧密。这表示说，微生物的酵素并无法轻易地到达那。深埋的氧气因此可以在大的地质时间尺度上持续存在，最终驱使氧气累积于地球的海洋与大气中。

趋于平衡

在某个时间点，这个正回馈迴路会达到平衡，达到大气中的氧气浓度为 21%。这个时间点或许是当足够的生物型态已经演化出来，并开始消耗氧气。耗氧者与产氧者间的规模自此就定下来了。

另一项最近的研究支持这项假说，认为在低氧环境中深埋的有机物质，在地球的大氧化事件中，所扮演的角色比我们的所想的还要来得大。

如果，并不是行光合作用的细菌先让大气层中充满氧气，然后让海洋中充满氧气，而是海洋中的矿物质让大气中充满氧气的呢？为了充实这些想法，进一步的研究是必要的。不过目前为止，它们似乎是可能的解释。

福尼尔教授说：“提出一个崭新方法，然后展示证据来证明其可能性，是最初但最重要的一步。我们辨识出这是一个值得研究的理论。”

更多科学与科技新闻都可以直接上 明日科学网站 http://www.tomorrowsci.com

参考资料：

Cassella, C., (2022, March 20). New Theory Suggests Sneaky Way Ocean Microbes and Minerals May Have Oxygenated Earth. ScienceAlert
Shang, H. et al., (2022, March 14). Oxidative metabolisms catalyzed Earth’s oxygenation. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-022-28996-0
Kipp, M. A. et al., (2020, December 17). High Organic Burial Efficiency is Required to Explain Mass Balance in Earth’s Early Carbon Cycle. Global Biogeochemical Cycles. doi:10.1029/2020gb006707
图片来源：https://www.sciencealert.com/ocean-microbes-and-minerals-could-together-have-oxygenated-earth（图：Photographer _HD / 500px/Getty Images）

本文由奇点天文作者上传并发布，奇点天文仅提供文章投稿展示，文章仅代表作者个人观点，不代表奇点天文立场。