澳大利亚发现的最古老的化石
27亿年前地幔对流的变化图
地球氧气的出现是破天荒地的一件大事，由此形成的氧化作用成为了地球改造的重要营力。从此，在大氧化事件的推动下，氧化作用改变地球表面的山水地貌，重塑海岸线，推动沉积矿床的形成，尤其是引领了生命演化的新方向，诞生了真核生命，开启了通向人类出现的伟大征程。
氧气是如何产生的？23亿年前第一次大氧化事件又是如何形成的？一直以来吸引着科学家的关注。其实，在地球生命诞生后，海洋长期处于单细胞藻类一统天下的格局。那时地球上的生物几乎都是厌氧的原核生命，它们根本不需要氧气，甚至氧气对它们来说是有毒的，而今天我们只有在地球的深海海底、地表的热泉和火山口才能发现这样的古细菌。
然而，神奇的是有一种叫蓝藻的生命，又称之为蓝细菌，早在距今35亿年前就已出现。科学家们在澳大利亚西部距今约35亿年的瓦拉伍纳（Warrawoona）群的硅质燧石中发现了形似丝状蓝细菌的微体化石。它们与现代蓝藻在形态上很相似，很可能是一类以太阳光为主要能源的自养生物。碳、硫同位素测试也表明，在该地质时期已经有蓝藻、还原硫细菌等生物构成的原始生物圈。
当时的地球上，阳光、水和占当时空气大部分含量的二氧化碳等光合作用所需的原料可谓取之不尽用之不竭，蓝藻通过细胞膜内的叶绿素进行光合作用，即通过接受光能，分解水取出电子，利用它和二氧化碳制造糖，在这个过程中氧气作为废弃物被排出。因此，蓝藻是地球上最早获得这个能力的自养生物。
在产氧光合作用出现后的一段时间里，新生成的氧气还能够被岩石中的铁和大气中的氢等元素吸收，但随着地壳运动趋于平缓，地球上的火山活动减少，氧元素渐渐地能以游离的氧气形式存在于大气中了。与此同时，越来越多岩石表面的铁和磷被氧化后，随着雨水冲刷进入了海洋，海水的富营养化进一步促进了蓝藻的繁衍和生长，地球大气中的氧气越来越多了。
现代地质学研究表明，地球地幔最深部和最上部之间存在巨大的对流。而在早期的地球，以地下660千米附近为界限，上下分别会有对流产生。大约距今27 亿年前，地核的对流变得活跃，上下两个对流合成了一个强大的对流，使得地壳运动变得频繁并推动大陆的形成。而新大陆的增加又促使最适宜光合作用的浅海不断增加。此外，这个时期遮盖太阳风的磁场屏障已经形成。因此，科学家认为地球内部的变化和蓝藻的繁荣息息相关。
科学家又是如何获知蓝藻的光合作用对海洋和大气的影响呢？目前最普遍的是利用岩石记录的碳同位素来进行研究。
碳同位素家族有两位重要的家庭成员C12和C13，蓝藻和藻类等生物体产生的有机碳更富集C12，根据碳同位素的分馏行为，这意味着周围海水中无机碳具有更少的C12，或者换句话说，它变得富含C13。从海洋中去除的有机碳越多，海洋中残留的无机碳C13中就会富集，用同位素来表示即海水δ13C越偏正。
美国科学家Dick Holland在地球早期大气和海洋演化研究领域作出了杰出贡献，他与同事Juha Karhu首次得出海相碳酸岩的碳同位素δ13C曲线产生了大约10‰正漂移，并将它称为Lomagundi同位素事件（地球历史上最大的碳同位素偏移），并将有机碳的埋藏视作产生大氧化的氧气来源。
但是，进一步分析发现，碳同位素的正偏和大氧化事件并不是完全对应，Lomagundi同位素偏移发生在大氧化事件之后而不是在大氧化事件期间。因此，科学家不得不寻找其他可能产生大氧化的原因，于是将目光投向大氧化事件之前更古老的地球时期。
太古代时通过有机碳和黄铁矿的埋藏，可能已经产生氧气了，但氧气的含量非常低，主要是由于产生的氧气会与火山中产生的来自地幔的还原性气体（主要是H2）发生反应而消耗。还原性气体的喷出速度很可能就是限制大氧化产生的原因。
科学家发现，氢气的喷出速度主要取决于地幔物质的性质，但地幔物质性质在地质历史时期几乎没有大的改变。除此之外，氢气的喷出速度还应取决于地幔的粘性物质运动。地球从形成之初的大火球逐渐降温，使地球内部冷却，所以地幔粘度变大，运动缓慢，导致氢气释放速率随时间而减少，从而促使大气含氧量的增加。
2020年加州大学Riverside分校Eguchi等提出了新见解：他们用碳循环将海相碳酸岩碳同位素、大气氧含量演变和板块构造演化结合起来，认为大氧化事件与Lomagundi事件是由深部碳循环和增强的去气作用共同导致的。他们推测，距今25亿年，地球逐步转化为板块构造使陆地面积增加，冰期作用导致含水沉积物增大，使板块边界弱化，促进板块俯冲加强，从而导致碳埋藏量增加，促使了蓝藻的繁盛与氧气的不断增多。
总之，有机界和无机界共同推动了地球历史上第一次大氧化事件的形成，从而使地球步入了新的发展阶段，生物界更是拉开了走向复杂生命现象的演化大幕。
（作者系中国科学院南京地质古生物研究所研究员、南京古生物博物馆名誉馆长、中国科普作家协会副理事长）