一項新的研究追蹤了海洋的歷史，記錄在從南非鑽芯中提取的數十億年曆史的沉積物中，該研究提供了證據，表明地球上的氧氣出現時間比普遍認同的時間早約 3 億年。該研究的合著者之一承認他的論文存在爭議，但它支援了近年來使用不同方法進行的其他一些分析。
這項新研究於週日線上發表在《自然-地球科學》上，重點關注鑽芯地質記錄中包含的氮。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分）。合著者、羅格斯大學的生物地球化學家保羅·法爾科夫斯基表示，氮迴圈是由生命驅動的，因此它帶有重大生物學轉變的印記——在這種情況下，是海洋上層水域的細菌透過光合作用產生氧氣的能力。
法爾科夫斯基和他在羅格斯大學的同事，海洋地球化學家琳達·戈弗雷發現，海洋沉積物中氮同位素的丰度發生了變化，表明發生了氧化作用。（同位素是同種原子但中子數不同，因此原子量也不同的種類。）這種變化發生在近 27 億年前，比其他大量證據表明大氣中存在氧氣的時間早幾億年。（當然，氧氣已經以水和其他分子的形式存在——手頭的研究涉及所謂的遊離氧，或 O2。）
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
伍德沃德·費舍爾是加州理工學院的地質生物學家，他參與了同一個鑽探專案，但沒有為這項新研究做出貢獻。他說，產氧光合作用演化的時間是一個懸而未決的問題。“在這個領域，人們在發生時間上存在嚴重分歧，”費舍爾說。
費舍爾說，研究人員普遍認為，在所謂的“大氧化事件”之後，大約在 24 億年前，出現了大量的氧氣，但其他幾項同位素研究也支援了光合作用生物能夠在更早的時候，在太古代晚期（大約在 25 億年前結束）產生氧氣的理論。新的研究“並非孤立存在，”他指出。“有幾篇不同的論文研究了幾種不同的同位素系統或地球化學系統，它們獨立地得出了相同的結論。”
氮有兩種穩定同位素：氮 14 和較重的氮 15。法爾科夫斯基解釋說，它們之間的平衡對氧氣的存在非常敏感。法爾科夫斯基說，在氧氣含量少的環境中，氮被微生物轉化為銨，然後轉化為硝酸鹽或亞硝酸鹽。最後，當生物體消耗硝酸鹽和亞硝酸鹽時，氮氣被釋放到大氣中。“當你有氧氣時……氮的同位素會變得更重，因為你把較輕的同位素吹到大氣中，”法爾科夫斯基說。“如果你沒有任何氧氣，同位素記錄就會很輕。”
“當涉及到原子的較重同位素時，原子之間的鍵更強，”戈弗雷解釋說。含有較輕同位素——氮 14——的化合物中，硝酸鹽或亞硝酸鹽分解產生氮氣的過程更容易進行，因此該同位素優先逸出到大氣中。另一方面，更多的氮 15 往往會被留下。
“我們發現，在記錄中，我們多次獲得較重的同位素，比我們獲得大氧化事件早數億年，”法爾科夫斯基說。“所以這意味著海洋中一定存在氧氣，但它尚未進入大氣層。它在至少 3 億或 4 億年的時間裡，還沒有真正氧化這個世界。”
這種延遲有點奇怪，因為預計光合作用生物會在更短的時間尺度上提高大氣氧含量。費舍爾說，根據新的分析，“如果在太古代晚期海洋中存在產氧光合作用，並且基本上沒有氧氣積累[在大氣中]，那麼一定發生了我們尚未認識到的非常奇怪的事情。”
費舍爾說，瞭解氧化作用前的世界的詳細化學性質是一項艱鉅的任務。他說，一個完全厭氧（無氧）的世界可能涉及與我們在目前富氧環境中看到的同位素效應非常不同的同位素效應。“考慮到我們認為氮迴圈應該如何運作的所有假設，我們可能正在觀察一個實際上非常不同的世界，”他說。
法爾科夫斯基說，對氮迴圈的依賴使得論文的發表過程充滿爭議。“我們開發了一種模型，其中氮同位素真正對世界的[氧化和還原反應]變得敏感，”他說。“這是一個新模型，每當你開始使用新正規化時，你不可避免地會遇到一些衝突。”