【锚定2035·院士谈科学报国】揭开地球氧气起源
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中国科学院院士、中国科学院广州地球化学研究所所长、研究员何宏平
氧气，这一无色无味的气体，不仅是地球生态系统中不可或缺的元素，更是支撑人类及众多动植物生命活动的关键。现代地球上的氧气主要来自于产氧光合作用，通过光合作用把二氧化碳和水合成有机物质，同时释放出氧气。然而，关于地球上氧气的起源，尤其是早期地球如何在无氧环境中逐步演化出能够释放氧气的生物过程，一直是地质学和生物学领域研究的热点。
回溯至24亿年前的地球，那是一个没有氧气的世界。当时的地球大气主要由氢气、硫化氢、甲烷等还原性气体构成，与如今富含氧气的环境截然不同。早期生命依靠这些还原性气体作为能量来源，进行不产氧的光合作用，从而维持生命活动。
随着地质年代的推进，地球上逐渐出现了能够释放氧气的生物——蓝细菌（也称蓝藻）。然而，蓝细菌的光合作用进化需要一个氧化的环境，这与早期地球无氧的还原环境形成了悖论。为了解决这一悖论，科学家们提出了多种假设。其中一种认为，在蓝细菌进化出光合作用之前，地球上可能存在局部氧化的环境，即所谓的“氧化的绿洲”。这些局部氧化的环境可能为蓝细菌的进化提供了必要的条件。
早期地球上这些局部氧化的环境是如何形成的呢？我们团队在研究时发现，硅酸盐矿物在机械外力的作用下，如海浪冲刷、物理风化、陨石撞击等，其硅氧键会断裂，形成自由基。这些自由基能够与水反应，产生羟基自由基和过氧化氢等活性物质。而过氧化氢在分解过程中会释放出氧气，从而逐渐改变周围环境的氧化还原状态。
这一发现不仅解释了早期地球上局部氧化环境的形成机制，还为我们理解地球氧气的起源提供了新的视角。
而且，过氧化氢不仅是地球氧气起源的关键中间产物，还是早期生命中一种重要的氧化剂。在蓝细菌进化出光合作用之前，过氧化氢可能已经在地球上存在，并参与到早期生命的代谢过程中。通过利用过氧化氢进行代谢，早期生命逐渐适应了氧化环境，为后来蓝细菌的光合作用进化奠定了基础。
地质记录为我们提供了关于早期地球环境和生命演化的宝贵信息。在南非的一处古老地层中，科学家们发现了代表32亿年前高能海岸带环境的矿物组成和微生物化石。这些证据表明，当时该地区已经是一个局部氧化的环境，并可能孕育了早期蓝细菌的祖先。这一发现不仅支持了过氧化氢作为早期地球重要氧化剂的假设，还进一步揭示了地球氧气起源和生命演化的密切联系。
地球氧气的起源与早期生命的演化是一个复杂而迷人的科学问题。通过地质记录、实验室模拟和跨学科研究等多种手段，我们正逐步揭开这一谜团的面纱。未来，随着科学技术的不断进步和研究的深入，我们有理由相信，人类将能够更全面地理解地球生态系统的演化历程，并为探索宇宙中的其他生命形式提供有力的科学支持。
作者：何宏平（中国科学院院士、中国科学院广州地球化学研究所所长、研究员）
整理：肖春芳
