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氧气起源:地球化学领域里的教科书又要被改写了

新近发表在《科学进展》上的研究,有可能改写已知的地球演化史。

之前有研究发现,在23亿年前地球的大氧化事件(Great Oxygenation Event, GOE)之前,“氧气”就已存在,

但最新结果指出,那些证据可能是在更晚的时间点引入的化学特征。

达特茅斯大学地球科学助理教授、该研究的第一作者莎拉·斯洛茨尼克 (Sarah Slotznick) 说:“科学界需要批判性地重新评估其对地球前半段历史的理解。” .

该研究指出,最初确定表明地球历史早期大气中含氧量的化学数据可能是由数亿年后的事件引入的

作为研究的一部分,额外分析再次证实,在 23 亿年前,大气层的含氧量极低。

“我们使用新工具来研究微量氧气信号的起源,”密歇根大学地球与环境科学助理教授、该研究的合著者Jena Johnson, “我们发现,沉积物沉积在海底后发生的一系列变化可能是造成氧气化学证据的原因。”

几十年来,科学家们一直在争论地球大气中何时首次达到可测量的氧气水平。大氧化事件说是在上个世纪发展起来的,认为在20亿年前氧气水平开始增加,为复杂细胞、动物以及最终人类的崛起铺平了道路。

然而,最近对与氧气相关的化学信号的研究表明,氧气在更早期就已短暂出现,那类痕迹被称为氧气“气味”。

2007 年,两项平行研究根据 25 亿年历史的麦克雷山页岩的样本发现了氧气气味的证据,这是美国宇航局天体生物学钻探计划在西澳大利亚收集的 2004 年钻探核心的一部分。

加州理工学院地球生物学教授、东京工业大学地球生命科学研究所成员、这项新研究的合著者约瑟夫·基什文克 (Joseph Kirschvink) 说:“当十年前的结果出来时,它们令人震惊。这些发现似乎与来自其他地质指标的大量证据相矛盾,这些证据反对在大氧化事件之前存在游离氧。”

2007 年的研究基于钼和硫的氧化和还原证据,这两种元素被广泛用于检验大气中氧的存在,因为它无法在岩石中直接测量。这些发现提出了关于地球生命早期进化的基本问题。

一些研究小组对早期氧气进行了观察,以支持早期的发现,即微型蓝藻——光合作用的早期创新者——将氧气泵入古代大气中,但地球的其他过程将氧气保持在低水平。

2007 年的研究,包括它们对生命起源及其进化的影响,已被广泛接受,并成为过去 14 年来一系列其他研究论文的基础。

这项新研究可以追溯到 2009 年,当时由加州理工学院领导的团队开始努力进行额外的分析。该团队中的一些人后来搬到了其他机构,花了十多年时间来收集和分析数据,现在发表的第一项研究直接驳斥了早期氧气的发现。

“这么古老的岩石讲述了一个复杂的故事,它超越了泥浆沉积时的世界,”加州理工学院地球生物学教授、该研究的合著者伍德沃德·费舍尔说。“这些样本还包含在沉积很久之后形成的矿物,当时古代环境信号与较年轻的环境信号混合,混淆了对古代地球条件的解释。”

2007 年的研究论文在地球完全氧化之前发现了氧气的气味,使用了大量分析技术,对来自整个麦克雷山页岩的粉末样品进行地球化学评估。新研究没有对粉末进行化学分析,而是使用一系列高分辨率技术检查了岩石标本。

在这项新研究中,研究小组在平板光学扫描仪上记录了 2004 年钻芯的图像。根据观察结果,他们随后收集了薄样本以进行进一步分析。包括基于同步加速器的 X 射线荧光光谱,使团队对样品的地质和化学以及已识别过程的相对时间有了更多的了解。

根据研究论文:“我们的集中观察表明,大量化学数据集指向沉积后事件中产生的氧气气味。”

麦克雷山页岩是由有机碳和火山灰形成的。研究表明,钼来自火山,随后在之前被描述为气味区间的过程中被浓缩。在将这些沉积物变成岩石的一系列化学和物理变化过程中,压裂过程为几种不同的流体创造了通道,以至于在岩石形成数亿年后携带氧化信号的假象。

如果钼不是来自陆地岩石的氧基风化和海洋中的浓缩,则它的存在不支持早期大气氧的发现。通过使用与的第一项研究完全不同的方法,新研究还对使用同类技术的“散装”研究提出了质疑。

“新的高分辨率数据清楚地表明,在所有古代记录中都必须仔细考虑化学信号的沉积背景。”约翰逊说。

除了为在麦克雷山页岩中发现的氧气代用物提供另一种解释外,该团队还证实大氧化事件之前的大气氧气水平非常低。

这些发现对蓝藻的早期存在提出了质疑,反而支持了其他假说,即产氧光合作用仅在大氧化事件发生前不久才得以进化。

Birger Rasmussen,西澳大学和中国地质大学;圣安德鲁斯大学和地质遗产研究所的 Timothy D. Raub; SLAC 国家加速器实验室的 Samuel Webb;和中国地质大学的訾建威,都对这项研究做出了贡献。

https://phys.org/news/2022-01-whiff-oxygen-earth-early-history.html

大概意思是这样,地质沉积层,越往下年代越久远。以前在GOE下面的层里发现了氧化反应的证据。但现在通过样本的物理分析,发现沉积层的裂缝,可以让氧渗入到更下面的地质层里,就导致看起来氧气出现的时间提前了。

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