大气圈氧气上升与生物进化:一个重要的地球生物学过程

以生氧光合作用为主造成的大气圈氧气上升,与生物进化存在着密切的成因联系。在大气圈氧气含量明显上升之前,微生物在地球大气圈演化中可能起着主要作用,形成了埃迪卡拉纪之前的微生物世界;甚至到今天,这些细菌以及其他的微体藻类,一直在向地球的大气圈提供氧气,而且在海洋中进行着艰苦的固氮作用。早期很少受到动物影响的生物圈,与现代动物所占据的生物圈(后生动物世界)明显不同,这个转变随着埃迪卡拉纪—寒武纪器官级别的动物辐射而发生,动物辐射造成了宏观生态和宏观进化表现的根本性变化。因此,地球大气圈的氧气上升,实际上是一个复杂的地球生物学过程;追索这个复杂的地球生物学过程所产生的环境变化及其与生物进化与革新之间的成因联系,对深入了解地球复杂的演变历史将提供一些重要线索和思考途径。

地球历史中的巨型氧化作用事件:了解古地理背景演变的重要线索

在塑造我们的星球环境的过程之中,分子氧起着关键的作用。大气圈和海洋中氧气的出现及其浓度随着时间的变化,与地球上的主要变化存在强烈关联,诸如构造重组、气候波动和生物进化。针对地球大气圈氧气含量的上升,多年研究的结果肯定了2个基本事实：（1）地球最早期的大气圈是缺乏氧气的;（2）今天的大气圈则为21%的氧气所组成。由于地质历史时期大气圈氧气水平的大多数地质标志,只是意味着存在与缺乏,这就为确定大气圈氧气含量上升的时间进程带来很多困难。即使如此,一系列地质证据已经表明,一个从缺氧的到含氧的大气圈的转变,大致发生在2.5—2.0Ga,这个转变被定义为巨型氧化作用事件（GOE）。近年来的深入研究发现,几个主要证据表明,在前寒武纪—寒武纪过渡时期的大约850—540Ma,发生了＂第二次巨型氧化作用事件（GOE-Ⅱ）＂,还被进一步定义为新元古代巨型氧化作用事件（NOE）。再者,大气圈氧气水平在显生宙还存在着一个特别的上升,这次变化在石炭纪晚期接近一个峰值为150%PAL（现代大气圈氧气含量水平）,所以,也可以定义为一次巨型氧化作用事件,即显生宙的巨型氧化作用事件（POE）。因为蓝细菌光合作用造成的氧气生产,曾经导致了大气圈与海洋的氧化作用,反过来为需氧呼吸作用和大型而且复杂的、最终富有智慧的生物进化,提供了基本条件;因此,大气圈氧气上升,是与地球动力学过程紧密相关的地球生物学过程的作用结果,从而成为了解漫长的地质历史时期古地理背景演变的重要线索。从古元古代的GOE,经过新元古代的NOE,到显生宙的POE,这些巨型氧化作用事件的内在特征、作用结果与基本属性,尽管存在着较大的差异,但是,从这些概念的出现到对它们的形成机理的探索性研究,涌现出了许多新概念和新认识;追索这些新概念和新认识,将为了解地球大气圈氧气上升的复杂历史所代表的一个特别的地球上生物学过程,提供一些有益的重要线索和思考途径。