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
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（百萬年）
*冰河時期

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. . Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 2006, 361 (1470): 903–915. PMC 1578726 可免费查阅. PMID 16754606. doi:10.1098/rstb.2006.1838.
  2. Zimmer, Carl. . New York Times. 2013-10-03 [2013-10-03]. （原始内容存档于2013-10-03）.
  3. Dutkiewicz, A.; Volk, H.; George, S. C.; Ridley, J.; Buick, R. . 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. . Science. 2007, 317 (5846): 1903–1906. Bibcode:2007Sci...317.1903A. PMID 17901330. S2CID 25260892. doi:10.1126/science.1140325.
  5. Dole, M. . The Journal of General Physiology. 1965, 49 (1): Suppl:Supp5–27. PMC 2195461 可免费查阅. PMID 5859927. doi:10.1085/jgp.49.1.5.
  6. Frei, R.; Gaucher, C.; Poulton, S. W.; Canfield, D. E. . 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. . Palaeontology. 2007, 50 (1): 41–55. S2CID 59436643. doi:10.1111/j.1475-4983.2006.00613.x 可免费查阅.
  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）.
  9. Freeman, Scott. . Upper Saddle River, NJ: Pearson – Prentice Hall. 2005: 214, 586. ISBN 978-0-13-140941-5.
  10. Butterfield, N. J. . Geobiology. 2009, 7 (1): 1–7. PMID 19200141. S2CID 31074331. doi:10.1111/j.1472-4669.2009.00188.x.
  11. Berner, R. A. . 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 可免费查阅. PMID 10500106. doi:10.1073/pnas.96.20.10955 可免费查阅.
  12. Emsley, John. . . 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. (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 可免费查阅. （原始内容存档 (PDF)于2021-03-08）.

外部链接
  • Lane, Nick. . New Scientist. No. 2746. 2010-02-05 [2022-02-13]. （原始内容存档于2020-05-30）.需付费查阅
  • Zimmer, Carl. . The New York Times. 2013-10-03 [2022-02-13]. （原始内容存档于2022-03-20）.
  • Ward, Peter D. . Joseph Henry Press. 2006. ISBN 0-309-10061-5.; . New Scientist. [2022-02-13]. （原始内容存档于2022-03-19）.
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