大气中氧含量的波动阻碍了地球生命的进化
2014-09-23 18:34:58   来源：37度医学网   作者：  评论：0 点击：

大气中氧含量的波动阻碍了地球生命的进化

胡德良   译

地球历史上最大的谜团之一就是：在大约23亿年前，大气中的氧含量出现了大幅度上升，可是在那之后动物却停止了进化。尽管科学家们认为当时氧含量是一个相对较高的时期，但是地球生命的进化停止了长达十亿年之久，那段时间被称为“单调十亿年”。

地球早期的大气经历了两次较大幅度的氧含量增加，其中一次大约出现在23亿年之前，被称为“大氧化事件”；另一次出现在8亿年前，这次氧含量高峰出现之后，复杂的生命才开始分化出来。现在，研究人员称：在这期间的氧含量波动很可能阻止了生命进化的进程。

新的研究结果表明：在第一次高峰期的时候，氧含量并不是逐步积累上升的，而且至少上升了1000倍；高峰期过后，氧含量又产生了急剧下降。

“一直存在这样的问题：为什么单调十亿年期间在生命进化上出现了单调性呢？”研究小组成员之一、加州大学河滨分校的生物地球化学家蒂莫西·莱昂斯说。

“该发现反驳了那种把矛头单单指向氧含量升高的简单观点，”康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学的生物地球化学家诺亚·普拉纳夫斯基说。上个月，普拉纳夫斯 基将这项研究成果提交到在中国武汉举行的地球生物学第三次国际会议上。他说：“实际上，氧含量是动态性很强的，升升降降，直到超过了一个阈值，使地球呈现 出一种不同的状态。”

但是，一些研究人员首先对出现动物后氧气所起到的核心作用提出异议，他们认为可能仍然需要其他的环境因素，如：微量金属对于酶的功能是很重要。其他研究人员认为，进化上的长期间断可能就是因为需要很长时间才能进化出必要的遗传机制。

“但是，两个观点都没有任何证据来支持，”普拉纳夫斯基说。

铁矿中的同位素

先前的一项分析通过沉积物岩芯分析了深海水域的氧化态，结果发现：在单调十亿年期间，氧含量可能很高，相当于目前大气水平的40%。“为了做出这个推断，首先需要进行许多很可能并不正确的假设，”莱昂斯说。

普拉纳夫斯基及其研究小组掌握了一种方法——跟踪测定铬同位素从陆地到海洋变化情况，这种元素对于大气中的氧含量极为敏感。

铬是大陆地壳中的部分元素。微量的氧可以使一种不可溶的铬转化成可溶性铬，然后这种可溶性铬就被雨水和河流冲到海洋中。在海洋中，通过跟铁发生反应，铬在量上有所减少，并下沉到铁矿沉积层中。

普拉纳夫斯基称：跟铬同位素52Cr相比，较重的53Cr对于氧化更加敏感；因此，分析这些铁矿中两种铬同位素的比率，然后将其与暴露在氧含量已知环境中的铬同位素比率相比较，这样可以为了解远古的氧含量打开一个窗口。

通过研究来自澳大利亚、加拿大、中国和美国的古代铁矿，研究人员发现：在单调十亿年期间的各个阶段中，氧含量都非常低——不到目前大气水平的0.1%。大规模铬氧化的迹象最早出现在大约8亿年前，标志着当时大气中的氧含量很高。

“这是一项非常重要的发现，”澳大利亚新南威尔士大学地球生物学家马尔科姆·沃尔特说。沃尔特没有参与这项研究，但他认为该发现表明：大气中的氧含量在限制动物进化方面是一个关键的环境因素。

然而，沃尔特强调说：遗传革新对于复杂生命的进化和生物多样化也起着决定性的作用。在第二次氧化事件之后的2.6亿年期间，进化的引擎并没有真正快速地转动起来，直到寒武纪大爆发时期在短短的2000万年里产生了现代的动物门类，从地质学的角度来讲这就是一眨眼的功夫。

“直到环境合适的时候，并且具备了遗传方式之后，复杂的生命才会进化开来，”沃尔特说。

译自：英国《自然》杂志官网（11 July 2014）