氧气地质历史

光合作用发生之前，地球大气中没有氧气^[2]。35亿年前，原核生物通过光合作用产生氧气^[3]，但氧气氧化了裸露的金属。氧化铁在海底沉积，形成條狀鐵層^[1]。大氧化事件开始5000万年后，大气层中才开始积累氧气^[4][5]。由于此时植物还没有诞生，前寒武纪产氧速率较慢，浓度不到今天的10%。此时氧气浓度波动较大，19亿年前，大气层可能不存在氧气^[6]。此时氧气浓度对生命影响较小。寒武纪以后多細胞生物大量繁殖，氧气浓度波动才会使生物大量灭绝^[7]。

地球大气层中氧气的含量。红线和绿线分别代表上限和下限。变化可分为五个阶段：
第一阶段（38.5-24.5亿年前）：大气层中几乎没有氧气
第二阶段（24.5-18.5亿年前）：氧气逐渐产生，但溶解于海洋中，与岩石进行氧化反应
第三阶段（18.5-8.5亿年前）：氧气从海洋中释放出来，但被地表吸收，或转变成臭氧形成臭氧层
第四、第五阶段（8.5亿年前至今）：氧气开始在大气层中积累^[1]

氧气浓度上升，生命演化逐渐复杂，因为有氧呼吸比无氧呼吸的物质利用率更高^[8][9][10]。寒武纪以来，大气层氧气浓度在15%到35%之间波动^[11]。氧气浓度于3亿年前石炭纪时达到峰值，此时大气氧含量约为35%。氧浓度高的大气使节肢动物体型庞大^[10]。虽然人类燃烧化石燃料等活动对二氧化碳大气含量影响显著，但对于氧气的影响微乎其微^[12]。

生物影响

生命演化历程

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• 论
• 编

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水

 

单细胞生物

 

光合作用

 

真核生物

 

多細胞生物

 

植
物

 

节肢动物及软体动物

被子植物

恐龙

 

哺乳动物

鳥類

靈長類

冥
古
宙

太
古
宙

元
古
宙

顯
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宙

 

 

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地球形成

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水的起源

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最後共同祖先

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最早化石形成

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後期重轟炸期

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氧氣起源

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朋哥拉冰河時期（英语：Pongola glaciation）*

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大氧化事件

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休伦冰河时期*

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有性生殖起源

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多細胞生物起源

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真菌起源

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植物起源

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動物起源（英语：Caveasphaera）

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成冰纪*

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埃迪卡拉生物群

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寒武纪大爆发

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安地斯冰河時期（英语：Andean-Saharan glaciation）*

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四足類起源

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晚古生代大冰期*

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猿及人類起源

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第四纪冰河时期*

（百萬年）

*冰河時期（英语：Timeline of glaciation）

大氧化事件中，大气氧含量猛增，许多厌氧生物因此死亡^[10]。氧气浓度变化会改变生物进化的速度，是阿瓦隆大爆发和寒武纪大爆发可能的原因。氧气浓度也会影响动物体型大小和生物多样性^[13]。数据显示，大氧化事件后不久，生物数量猛增100倍^[13]。氧气浓度也会影响生物体型。石炭纪时期大气氧含量约为35%，节肢动物体型庞大，而石炭纪之后昆虫体型逐渐变小^[10]。

一种观点认为，氧浓度上升会加快生物进化的速率。最后一次雪球地球结束时，大气氧含量增加，开始出现多细胞生命。但是这种关联并不明显，理论也遭到质疑^[10]。氧浓度较低时，生物尚未进化到可以固氮的阶段，可利用的含氮有机物较少，存在周期性的“氮危机”，海洋可能不适合生物生存^[14][10]。氧气浓度上升只是生物进化的前提之一^[10]。氧浓度上升后，动物立即出现，并保存在化石记录中^[10]。此外，类似于大气缺氧，海洋缺氮等不适于宏观生命生存的条件，在寒武纪早期和白垩纪晚期时常出现，但是对多细胞生物没有明显的影响^[10]。这可能表明在寒武纪以前，海洋沉积物反映大气和地壳的化学组成的方式与现在不同，因为那时没有浮游生物进行物质循环^[7][10]。

富氧大气能更快的风化岩石，促进铁、磷等元素的循环，对物种的新陈代谢、生长繁殖起重要作用^[2]。

参考

1. Holland, H. D. The oxygenation of the atmosphere and oceans. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 2006, 361 (1470): 903–915. PMC 1578726  . PMID 16754606. doi:10.1098/rstb.2006.1838. 
2. Zimmer, Carl. Earth's Oxygen: A Mystery Easy to Take for Granted. New York Times. 2013-10-03 [2013-10-03]. （原始内容于2013-10-03）. 
3. Dutkiewicz, A.; Volk, H.; George, S. C.; Ridley, J.; Buick, R. Biomarkers from Huronian oil-bearing fluid inclusions: an uncontaminated record of life before the Great Oxidation Event. Geology. 2006, 34 (6): 437. Bibcode:2006Geo....34..437D. doi:10.1130/G22360.1. 
4. Anbar, A.; Duan, Y.; Lyons, T.; Arnold, G.; Kendall, B.; Creaser, R.; Kaufman, A.; Gordon, G.; Scott, C.; Garvin, J.; Buick, R. A whiff of oxygen before the great oxidation event?. Science. 2007, 317 (5846): 1903–1906. Bibcode:2007Sci...317.1903A. PMID 17901330. S2CID 25260892. doi:10.1126/science.1140325. 
5. Dole, M. The Natural History of Oxygen. The Journal of General Physiology. 1965, 49 (1): Suppl:Supp5–27. PMC 2195461  . PMID 5859927. doi:10.1085/jgp.49.1.5. 
6. Frei, R.; Gaucher, C.; Poulton, S. W.; Canfield, D. E. Fluctuations in Precambrian atmospheric oxygenation recorded by chromium isotopes. Nature. 2009, 461 (7261): 250–253. Bibcode:2009Natur.461..250F. PMID 19741707. S2CID 4373201. doi:10.1038/nature08266. 简明摘要. 
7. Butterfield, N. J. Macroevolution and macroecology through deep time. Palaeontology. 2007, 50 (1): 41–55. S2CID 59436643. doi:10.1111/j.1475-4983.2006.00613.x  . 
8. Schmidt-Rohr, K. (2020). "Oxygen Is the High-Energy Molecule Powering Complex Multicellular Life: Fundamental Corrections to Traditional Bioenergetics". ACS Omega 5: 2221-2233. http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.9b03352 （页面存档备份，存于互联网档案馆）.
9. Freeman, Scott. Biological Science, 2nd. Upper Saddle River, NJ: Pearson – Prentice Hall. 2005: 214, 586. ISBN 978-0-13-140941-5. 
10. Butterfield, N. J. Oxygen, animals and oceanic ventilation: An alternative view. Geobiology. 2009, 7 (1): 1–7. PMID 19200141. S2CID 31074331. doi:10.1111/j.1472-4669.2009.00188.x. 
11. Berner, R. A. Atmospheric oxygen over Phanerozoic time. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Sep 1999, 96 (20): 10955–10957. Bibcode:1999PNAS...9610955B. ISSN 0027-8424. PMC 34224  . PMID 10500106. doi:10.1073/pnas.96.20.10955  . 
12. Emsley, John. Oxygen. Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England, UK: Oxford University Press. 2001: 297–304. ISBN 978-0-19-850340-8. 
13. Payne, J. L.; McClain, C. R.; Boyer, A. G; Brown, J. H.; Finnegan, S.; et al. (2011). "The evolutionary consequences of oxygenic photosynthesis: a body size perspective". Photosynth. Res. 1007: 37-57. DOI 10.1007/s11120-010-9593-1
14. Navarro-González, Rafaell; McKay, Christopher P.; Nna Mvondo, Delphine. A possible nitrogen crisis for Archaean life due to reduced nitrogen fixation by lightning (PDF). Nature. Jul 2001, 412 (5 July 2001): 61–64 [2022-02-13]. Bibcode:2001Natur.412...61N. PMID 11452304. S2CID 4405370. doi:10.1038/35083537. hdl:10261/8224  . （原始内容 (PDF)于2021-03-08）. 

外部链接

• Lane, Nick. First breath: Earth's billion-year struggle for oxygen. New Scientist. No. 2746. 2010-02-05 [2022-02-13]. （原始内容于2020-05-30）.  
• Zimmer, Carl. The mystery of Earth's oxygen. The New York Times. 2013-10-03 [2022-02-13]. （原始内容于2022-03-20）. 
• Ward, Peter D. Out of Thin Air; dinosaurs, birds, and Earth's ancient atmosphere. Joseph Henry Press. 2006. ISBN 0-309-10061-5. ; Review of Out of Thin Air by Peter Ward. New Scientist. [2022-02-13]. （原始内容于2022-03-19）.