科学家揭开地球宜居之谜：23亿年前的关键秘密

科学家研究南非古老岩石，发现约23亿年前地球大氧化事件后，海洋中的磷循环可能帮助维持大气氧气。相关论文发表在《自然·通讯》，作者包括加州大学河滨分校地质学家安德烈·贝克尔。研究指出，磷是生命必需的营养元素，在维持氧气水平方面可能起了核心作用，而氧气最终为更复杂生命出现创造条件。

一、古代海洋如何维持地球氧气
约23亿年前，地球经历大氧化事件，氧气从此长期存在于大气中。科学家几十年来了解这次转变，但更难解释之后氧气为何仍能保持足够丰富。研究人员发现，氧气进入海洋后改变海水化学，使硫酸盐浓度升高。某些微生物利用硫酸盐更高效分解有机物，并在过程中把磷释放回水中，使其他生物获得可用磷。可用磷增加后，生物生产力上升，更多有机碳被埋入海底沉积物，而不是被分解。因为有机碳分解会消耗氧气，碳埋藏越多，越有利于氧气在大气中积累。这样就形成自我强化循环：氧气升高促使化学变化，化学变化支持生物生长，生物生长又帮助维持氧气。贝克尔说，没有磷，生命无法生长或正常运作；海洋中磷更可用后，更多有机碳可被埋藏，其附带效果是更多氧气被释放到大气中。

二、古老岩石揭示隐藏的磷循环
为研究这一过程，科学家用一种更精细检测史前海洋中磷可用性的技术，分析来自南非的古老岩石。过去研究能测出古代岩石中总磷量，但难判断生物是否真的能利用这些磷，因为部分磷被矿物锁住，生物无法获取。研究人员按矿物类型分离磷：逐步溶解不同矿物成分，区分可供生物利用的磷和被困在矿物结构中的磷。这一区分很重要，因为海洋中磷的总量并不等于可供生命利用的量。新方法有助于更清楚重建古代营养循环，并理解它们如何影响大气氧。贝克尔表示，现在能把生物可用磷与几乎被锁死的磷分开，因此比过去更清楚古代海洋的营养水平。

三、地球氧气史可能比预期更动荡
这些发现表明，地球大气历史可能比过去认为的更复杂。大氧化事件之后，氧气水平并非简单稳定，而可能大幅上升和下降。这些波动在数千万年里可能持续影响海洋化学，以及磷等必需营养元素在海洋环境中的流动。结果也可能改变科学家对早期生命演化的理解。长期以来，复杂生命为何在氧气成为大气重要成分后仍很晚出现，是一个难题；氧气不足常被认为是可能原因。但如果地球早期有些时期氧气相对充足，其他环境条件或生命自身限制可能在复杂生命出现较晚方面起更大作用。

四、对当今与未来的意义
虽然研究关注数十亿年前事件，但其影响延伸到今天的海洋。气候变化已导致部分海域含氧量下降。如果氧气继续流失，可能扰乱磷循环，减少海洋生物可获得的磷，从而限制生物生产力，并降低海洋生态系统抵抗环境压力的能力。这项研究也可能帮助科学家寻找地外生命。有海洋的世界被认为有宜居潜力，但仅存在水并不保证长期支持生命。理解地球历史上氧气、营养元素和生物过程如何相互作用，可帮助科学家在遥远行星和其他海洋世界上寻找类似化学关系。贝克尔说，地球历史显示氧气、营养和生命一起演化；理解这些联系，能让我们更细致地看待地球未来，也帮助我们判断在其他行星上应该关注什么。