我們都知道，動物需要氧氣才能生存。對如今的地球來說，21% 的大氣是氧氣，帶來了相當宜居的環境。然而，在地球歷史的大部分時間中，情況并非如此。

如果我們穿越回過去，前往大約 5 億年前，可能就需要隨身攜帶一個氧氣瓶。但科學家還不太確定大氣和海洋中，氧氣隨時間推移的絕對水平；也不確定是否是氧氣水平的上升，促進了動物生命的進化，又或者，兩者的關系可能是反過來的。這些問題引發了無數爭論，還有數十年的研究。

近日，一組研究團隊發現，地球大氣中的氧氣水平可能在 10 億年前發生著劇烈波動，從而可能創造了可以加速早期動物的發展和進化的條件。研究已于近日發表在《自然進展》上。

氧氣水平變化的三個階段

科學家目前認為，大氣氧氣的發展大致可以劃分成三個階段。

首先是大約 24 億年前的大氧化事件，當時，氧氣首次出現在大氣中，地球從一個基本無氧的世界，變成了一顆充滿氧氣的星球。而第三階段則在約 4.2 億年前，也被稱為古生代氧化事件，大氣中的氧氣上升到了現代水平。

但科學家仍不確定的是，在這兩者之間的第二階段究竟發生了什么。這段時期被稱為新元古代，大約始于 10 億年前，持續了約 5 億年，在此期間，地球上出現了早期動物的生命形式。

此后，越來越多的數據似乎指向了一段復雜而迷人的氧氣歷史。因此，在這項新研究中，科學家想知道，在新元古代，氧氣水平的變化有沒有什么特別之處，這可能在動物的早期進化中起到了關鍵作用，而氧氣水平是突然上升的，還是緩步增加的？

碳的同位素

為了嘗試回答這個問題，一組研究團隊測量了淺海采樣的石灰巖中發現的不同形式的碳，也就是不同的碳的同位素。

碳有許多天然存在的同位素，也就是原子核中質子數量相同，而中子數量不同的形式，因此，各種同位素的大小和質量略有差異。

研究著重測量了碳 -12和碳 -13，它們都不會發生放射性衰變。簡單來說，植物在進行光合作用時更喜歡使用輕的碳 -12，這會讓海水和后續在海底形成的巖石中富含碳 -13。

因此，當科學家在數百萬年甚至數十億年之后來分析這些巖石時，就可以根據兩者的比率，計算出數億年前存在的光合作用水平，并推斷出大氣氧氣的水平。

根據計算，他們已經得出了過去 15 億年來大氣氧氣水平的記錄，這告訴了我們，有多少氧氣會擴散到海洋中，從而支持早期海洋生物。這些發現為地球上氧氣水平的變化方式提供了一個新的視角。

結果表明，在新元古代，氧氣水平不是簡單地躍升，它的變化實際上要動態得多。而且從地質的時間尺度上而言，這種變化非常迅速。7.5 億年前，氧氣占大氣的約 12%，而后在短短幾千萬年里，它就已經下降到大約 0.3%，也就是 1% 都不到，接著在幾百萬年后再次上升。

也就是說，在早期動物生命形式出現之前的很長一段時間里，氧氣水平其實是在高與低之間震蕩，包含了早期動物生活的海洋環境含有豐富氧氣的時期，也有氧氣貧乏的時期。直到大約 4.5 億年前，植物在陸地上獲得了一席之地，情況才有了變化。

耐人尋味的結果

研究人員表示，這種環境條件的變化，反而會帶來進化上的壓力，一些生命形式可能滅絕，而新的生命形式也可能出現。

氧氣水平高的時期擴大了所謂的 " 宜居空間 "，也就是說，部分海洋中氧氣水平高到了足以支持早期動物生命形式。 一些生態學理論已經提出，當宜居空間出現擴張或收縮時，有可能支持生物生命的多樣性的快速變化。

當氧氣水平下降時，一些生物要面對嚴重的環境壓力，這可能會驅動滅絕。而當富含氧氣的水域擴大時，新的空間則讓幸存者來到了生態中的主導地位。這些擴大的宜居空間將持續數百萬年，為生態系統的發展提供了充足的時間。

他們同時提到，了解地球大氣氧氣的歷史，或許是一份有用的指南，可以作為我們尋找地外生命的起點。