古老的岩石记录着地球第一次呼吸氧气的故事

地球的大气层并不总是像今天这样。对我们至关重要的氧气并不总是存在的。 事实上，在地球迄今为止的历史的前半部分的大部分时间里，我们星球的大气层可能与金星的有毒雾霾有更多相似之处，几乎没有一丝氧气。

大约在 23 亿年前，一切都突然发生了改变。科学家普遍认为，一种叫做蓝藻的微生物利用光合作用开始释放出足够的氧气，使地球真正地变成一个地球。这被称为大氧化事件，简称 GOE。

达特茅斯学院地球科学家莎拉·斯洛茨尼克说，这是“地球历史上巨大的气候变化和环境变化，也是我们经历过的最大一次”。

但关于大爆炸是如何发生的，仍有许多未解之谜。现在，斯洛兹尼克和她的同事在古老的岩石中找到了线索，他们的研究颠覆了科学家们之前对大爆炸性质的一些假设。研究人员曾假设大爆炸之前有几股早期氧气的“气息”，但这项新研究表明，大爆炸是一次性发生的。这项研究的作者于 1 月 5 日在《科学进展》杂志上发表了他们的研究成果。

挖岩石

追溯这么久远的事物——比最古老的恐龙还要早十倍，处于被称为太古代的时期——并不容易。第一批植物和动物要再过十亿年才会出现。大多数大陆尚未形成，而大多数已经形成的大陆对我们来说都是无法辨认的。

研究这一时期需要在非常古老的岩石中寻找证据。例如，如果大气中有氧气，它就会与岩石中的物质发生反应——留下指纹供地质学家寻找。或者，如果岩石位于海底，大气就会与海中的物质发生反应，最终产物会沉入海底并留在那里。

随着氧气的到来，岩石中的铁会变成氧化铁，也就是我们所说的铁锈。钼、铼和硫等其他元素也会发生变化——尽管科学家并不总是确定是什么导致了这些变化。

“地质记录只是地球历史的快照，”哈佛大学地球科学家戴维·约翰斯顿 (David Johnston) 表示，他没有参与这项研究。“我们追溯的时间越久远，这些记录就越不完整。”

然而，如果你找对地方，你可以在大陆最古老的部分找到岩石，这些岩石足够古老，可以显示出这些特征。到 21 世纪初，这些特征指向了 GOE 的单一起源：大约 23 亿年前。

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对于这篇最新论文的科学家来说，正确的地方就是西澳大利亚北部的皮尔巴拉地区。那里的岩石可能保存着地球上已知最古老的生命证据，即 35 亿年前的微小化石。

参观岩石

2004 年，NASA 资助的一项研究从皮尔巴拉地区保存最为完好的麦克雷山页岩层中切出了一个圆柱体，也就是所谓的钻芯。“我们使用‘保存完好’这个词，类似于你谈论保存完好的古代文本，”斯洛兹尼克说。它的文本没有被高温抹去，其材料也没有被上升的山脉挤压。

约翰斯顿称，页岩具有“正确的风味”，可以让人看到上方的海洋景观。

岩心从地下取出后，科学家对其进行了仔细检查，以了解岩石在不同历史时期的情况。2007 年，科学家在检测硫、钼和铼元素时宣布，他们在该样本中发现了氧气存在的证据——这种证据远早于 GOE 发现。

虽然大爆炸事件在当时已经存在了几十年，但氧气在事件发生之前就存在于大气中这一观点还是很新颖的。这表明大爆炸事件可能并非单一事件，而是在 5000 多万年前发生的“烟雾”事件之前发生的。

此后的几年里，这些“气味”得到了社区的欢迎。“我想说，它们开始在地球科学入门课上讲授，”斯洛兹尼克说。

重游岩石

在过去的十五年里，同一份麦克雷山页岩钻芯曾成为六篇以上不同论文的主题。许多论文研究了其他元素的变化：例如硒或锇和汞等重金属。但研究人员所见现象背后的化学原理往往不太清楚，科学家们也不太确定某个特定信号意味着什么。

为了进一步澄清真相，斯洛兹尼克和她的同事决定尝试一下。他们从岩心中提取了样本，并进行了一些测试，包括用同步加速器检查岩石样本——这是一种非常非常明亮的光源，尤其是 X 射线。

他们发现的新证据与“气味”理论背道而驰。与 GOE 无关的事件实际上产生了之前研究似乎错误归因于“气味”的特征。例如，Slotznick 和合著者认为，对“气味”理论的提出至关重要的钼实际上来自火山。

约翰斯顿说：“这无疑对麦克雷山（页岩）中存在‘氧气’的论据提出了严峻的挑战，同时也为我们今后如何检验这些假设提供了极好的路线图。”

前进不仅意味着学习更多；它还意味着这项研究还将有助于重新解释过去几年从这块岩石中获得的一些其他数据。

至于斯洛茨尼克，她计划利用来自世界岩石的另一个特别古老的地区——南非的其他钻孔岩芯，重新探究地球历史上的这个原始篇章。

“我认为那是一个令人惊叹的时期，”她说，“有很多东西可以学习和挖掘，特别是如果我们试图了解它的原因，这是一个大问题。”