改变地球历史的“大氧化事件”,新研究:微生物和矿物质或是关键

原标题:改变地球历史的“大氧化事件”,新研究:微生物和矿物质或是关键

在地球历史的最初 20 亿年中,空气中几乎没有氧气。虽然后来一些微生物利用光合作用产生一些氧气,但是氧气产生的数量不足以支持许多生命形式。然而,大约在23亿年前,大气中的氧气含量开始突然增加——大氧化事件(Great Oxygenation Event,GOE),从而改变了地球历史的进程。但究竟什么事件触发让地球从稳定的低氧状态变成了稳定的高氧状态?这个谜至今仍然未解开。

发表在《自然通讯》杂志上的一项新研究中 ,麻省理工学院 (MIT) 的科学家提出了一个假设:由于特定的海洋微生物与海洋沉积物中的矿物质之间的相互作用可能是大氧化事件的关键,在这个过程中,大气和海洋充满了最高水平的氧气,足以创造和维持生命。

大氧化事件(GOE),影响了所有生命形式!

目前地球大气中的氧气含量是产生氧气的过程和消耗氧气的过程之间的稳定平衡。但在23亿年前,大气保持着一种不同的平衡,氧气的生产者和消费者处于平衡状态,但不会为大气留下太多额外的氧气,而当时地球的大气由氮、甲烷和二氧化碳组成的。

实际上,地球在这时期早已出现了生命,但是它们大部分是由厌氧生命形式组成的,它们在没有氧气的情况下茁壮成长,清除它们在海洋中能找到的任何分子。大约在 3 到 35 亿年前的某个地方,其中一种微生物物种决定游到地表并体验那里的生活。正是在这一时期,这些生物学会了如何利用阳光的能量,并将其与二氧化碳和水分子结合以产生能量和糖,此外还释放氧气作为副产品,我们现在称之为光合作用的关键过程.

说到光合作用,不得不提蓝藻,它们是光合作用的主要推动力,因为它们开始以惊人的速度繁殖,用氧气填充(实际上污染)大气。这对厌氧生命形式来说并不是什么好消息,因为富氧空气实际上对它们有毒。结果,大约在 25 亿年前,地球上的所有生命都灭绝了,而蓝藻也差点遭到团灭。这是地球上第一次的大氧化事件。

第二次大氧化事件是发生距今约6亿年前,冈瓦纳超级大陆的熔岩活动将地表的硫酸盐带入海洋,使得海洋微生物和有机质发生反应,令海洋产生大量氧气之余,促使了寒武纪生命大爆发。正是这两次事件, 地球大气的氧含量从低水平上升到今天的高水平。科学家们还确定,大气中氧气的最初上升虽然很小,但发生在短短 1 到 1000 万年之内,并引发了一系列事件,最终导致多细胞生命的出现。

新假设:微生物和地质过程的结合!

过去有研究指出,有机碳的掩埋阻止了其通过耗氧过程的再矿化,被认为是地球氧化的原因之一。但另一方面,更高水平的氧气被认为也会抑制掩埋。麻省理工学院地球、大气和行星科学系 (EAPS) 地球生物学副教授格雷戈里·富尼耶(Gregory Fournier)和他的同事认为,氧气水平的这些跳跃并不是逐渐变化的结果。相反,在海洋中激活了一个正反馈循环。

根据富尼耶团队的说法,在通常情况下其分解会消耗氧气(也称为氧化)的有机碳在导致氧气积聚的这些时间间隔内可能无法提供给消费者。由于海洋中存在生命,研究人员研究了海洋沉积物中的海洋微生物和矿物质,以确定是否会出现这种情况。

他们假设,如果微生物具有部分氧化有机物的能力,那么部分氧化的有机物(POOM)将有效地变得“粘性”,并与矿物质发生化学结合。以保护材料免受进一步氧化的方式沉积。否则,原本会被消耗以完全降解材料的氧气将自由地积聚在大气中。他们发现,这个过程可以作为一种正反馈,提供一个自然泵,将大气推入新的高氧平衡。

为了验证他们的假设,研究团队浏览了科学文献以识别可能产生 POOM 的微生物,并发现了一种名为 SAR202 的细菌群,它可以使用一种名为 Baeyer-Villiger 单加氧酶或简称为 BVMO 的酶来实现这一壮举。

追溯这种酶的遗传起源,研究人员发现这种细菌的祖先确实存在于大氧化之前。有趣的是,该基因是在古元古代和新元古代期间被多种细菌获得的,当时已知氧气水平会飙升。

虽然这些相关性为新理论提供了支持,但研究人员需要做大量的工作来找到证明它的必要性。

因此,大氧化事件的谜团可能才刚刚开始解开。

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