山西晚报2024年10月12日发布:天文科普 地球上的氧气是怎么来的？

地球是我们唯一的家园。在我们研究过的太阳系及以外的所有奇妙世界中，没有一个世界能像地球一样。我们的家园星球被液态水所覆盖，拥有富含氧气的大气层，这使得众多的植物和动物得以进化--包括我们人类。

但其实地球并不是一直如此适于生存。如果你能穿越时空回到早期的地球，缺乏氧气的大气会使你窒息。人类生存所需的气体直到地球走过她一半年岁时才大量出现。

“罗塞塔”号拍摄的新月形地球

这张来自NASA艾姆斯模拟的照片显示了在一个名为Theia的火星大小的世界撞击早期地球后不久可能出现的情况。这里看到的熔化的碎片从碰撞中流出，这些碎片被认为后来形成了月球。

我们的星球在其早期历史中被更多的太空石块击中。这些撞击可能在40至38亿年前激增，当时巨行星的轨道发生变化，将物体抛向整个内太阳系。这一事件被称为 "晚期重轰击"。

我们不知道地球上出现生命的确切时间。有可能生命出现后被巨大的撞击消灭了多次，然后才永久地占据了地球。我们最早的生命的直接证据可以追溯到大约37亿年前。我们所知道的生命需要水，所以当生命出现时，地球必然存在一些水。但是这些水是从哪里来的呢？

一种理论是，当地球诞生时，水的元素前体被锁在其岩石中。第二种可能性是富含水的小行星轰击了地球，把水带到这里。也有可能是这两种理论的结合。

地球的组成部分可能不是冰，因为太阳是如此炽热足以使内太阳系内的冰直接升华--直接从固体变成气体。然而，水的化学前体有可能已经存在于形成地球的岩石中。

欧洲航天局（ESA)的“罗塞塔”号任务表明，像67P/Churyumov-Gerasimenko这样的彗星上的水与地球上的水并不匹配。尽管如此，富含水的小行星仍然是地球上水来源的一种可能性。支持此论点的证据来自最近的日本“隼鸟2号”（Hayabusa 2）任务，它将小行星龙宫（Ryugu）的样本带回地球，并检测出丰富的水粒子。另一项最近的研究推测，撞击地球并形成我们月球的巨大世界Theia可能是地球水的来源。

从蓝藻到智人

早期的生物体生活在没有氧气和充满二氧化碳的大气层中，类似于今天的金星和火星。这些微生物是如何在如此恶劣的条件下生存的并不完全清楚，但是科学家们已经在地中海的咸水深处和智利阿塔卡马沙漠的一条含砷河流中发现了现今仍然能在无氧环境下生活的微生物。

显微镜下的蓝藻细菌

起初，蓝藻产生的氧气被封存在矿物和海水中。但是在24亿到25亿年前，蓝藻产生的氧气逸散并储存在地球的大气中。这个时间段，大气中的氧气水平开始明显上升，被称为“大氧化事件”（Great Oxidation Event）。

与此同时，微生物开始不断进化。一些微生物开始生活在其他微生物体内，然后组合在一起，形成了更复杂的生命的前兆。简单的、基于氧气的生命开始出现，例如海绵，它早在7.6亿年前就出现了。

大约3.5亿年前，地球的氧气水平达到了20%，这与今天大气中的氧气百分比差不多。氧气浓度之后继续上升到35%，然后由于气候变冷和许多植物的大规模死亡使氧气浓度骤然下降到12%。氧气水平在那之后持续上下波动着，直至稳定在今天的大气含氧量21%。

氧气为一些传奇性的动物存在，包括我们人类，创造了条件。非鸟类的恐龙在2.45亿年至6600万年前进化并游荡在地球上--直到一个10公里宽的小陨石撞击地球时，恐龙的时代结束了。我们的智人祖先直到30万年前才出现，所以从宇宙的时间尺度上来看，人类的历史不过是一个小小的插曲。

通过了解地球的背景故事，我们能够更好地研究其他世界。虽然检测到富含氧气的系外行星大气层可能意味着有着外星生命的存在，但没有氧气的大气层并不一定意味着一个星球缺乏生命。这颗系外行星可能只是在为它自己的“大氧化事件”做准备，或者可能承载着根本不产生或不依赖氧气的生命。

土星的第六颗卫星泰坦（Titan）的大气层可能与早期地球相似。早期地球生物体产生的甲烷可能在我们的星球周围形成了与土卫六类似的橙色雾气，使早期生命免受太阳紫外线的影响。NASA的“蜻蜓”任务（Dragonfly mission）定于2027年发射，任务是揭示这个神秘卫星的秘密。

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