大约24亿年前，在大氧化事件期间，氧气首次积聚在地球大气层中。一个长期存在的谜团是，地质线索表明，早在数亿年前，早期细菌就开始进行光合作用并释放氧气。这一切都到哪里去了?
有什么东西阻止了氧气的上升。一项对数十亿年前岩石的新解释发现，火山气体可能是罪魁祸首。这项由华盛顿大学领导的研究发表在开放获取的《自然通讯》杂志上。
该研究的第一作者Shintaro Kadoya是华盛顿大学地球和空间科学博士后研究员，他说:“这项研究恢复了关于大气中氧气进化的一个经典假设。”“这些数据表明，地球地幔的演化可以控制地球大气的演化，甚至可能控制生命的演化。”
多细胞生命需要集中供应氧气，所以氧气的积累是地球上呼吸氧气的生命进化的关键。
“如果地幔的变化控制了大气中的氧气，就像这项研究表明的那样，地幔可能最终设定了生命进化的节奏，”Kadoya说。
这项新研究建立在2019年的一篇论文的基础上，该论文发现，早期地球的地幔比现代地幔氧化程度低得多，或者含有更多能与氧气反应的物质。对35.5亿年前的古火山岩的研究来自包括南非和加拿大在内的地点。
斯克里普斯海洋学研究所的罗伯特·尼克拉斯、马里兰大学的伊戈尔·普特尔和亚利桑那州立大学的阿里尔·安巴尔都是这项2019年研究的作者。他们也是这篇新论文的共同作者，该论文研究的是地幔的变化如何影响逃逸到地表的火山气体。
在地球上只有微生物存在的太古代，火山活动比今天更活跃。火山爆发是由岩浆——熔融和半熔融岩石的混合物——以及即使火山不喷发时也会逸出的气体提供的。
其中一些气体与氧气反应或氧化，形成其他化合物。这是因为氧非常需要电子，所以任何有一两个松散电子的原子都会与氧发生反应。例如，火山释放的氢与游离的氧气结合，把氧气从大气中带走。
地幔或地壳下较软的岩层的化学组成最终控制着熔岩和来自火山的气体的类型。早期的地幔氧化程度较低，会产生更多的气体，如与游离氧结合的氢。2019年的论文显示，从35亿年前到今天，地幔逐渐被氧化。
这项新研究将这些数据与来自古代沉积岩的证据结合起来，显示了25亿年前某个时候的一个临界点，那时微生物产生的氧气克服了火山气体的损失，开始在大气中积累。
“基本上，在光合作用进化后的数亿年里，可氧化火山气体的供应能够吞噬光合氧气，”合著者大卫·卡特林说，他是华盛顿大学地球和空间科学教授。但当地幔本身变得更加氧化时，释放出的可氧化火山气体就更少了。然后氧气就充满了空气，而此时没有足够的火山气体来将其全部抹去。”
这对理解地球上复杂生命的出现以及其他行星上存在生命的可能性具有重要意义。
Kadoya说:“这项研究表明，在考虑行星表面的演化和生命时，我们不能排除行星的地幔。”
这项研究是由国家科学基金会资助的。
