海洋中的氧合作用可能比以前认为的更早发生，为地球的进化提供了新的见解
该团队为这项研究采集了南非的沉积岩样本。图片来源：Benjamin Uveges
（化石网cnfossil.com）据雪城大学（作者：Dan Bernardi）：地球历史上的几个关键时刻帮助我们人类回答了“我们是如何到达这里的？”这些时刻也揭示了“我们要去哪里？”的问题，并为科学家提供了更深入的见解，让他们了解生物体如何适应环境中的物理和化学变化。
其中包括20亿年前发生的一次长期进化事件，即大氧化事件（GOE）。这标志着光合作用产生的氧气——对人类和许多其他生命形式的生存至关重要——首次开始在大气中大量积累。
如果你穿越回GOE之前（超过24亿年前），你会遇到一个基本缺氧（无氧）的环境。当时繁衍生息的生物是厌氧的，这意味着它们不需要氧气，而是依靠发酵等过程来产生能量。其中一些生物今天仍然存在于酸性温泉和热液喷口等极端环境中。
GOE引发了地球表面历史上最深刻的化学变化之一。它标志着从一个实际上没有大气氧、不适合复杂生命生存的星球，到一个有含氧大气支持我们今天所知道的生物圈的星球的转变。
科学家们长期以来一直对确定大气中氧气发生重大变化的时间和原因感兴趣，因为它们对于理解包括人类在内的复杂生命是如何形成的至关重要。
虽然我们对这一关键时期的理解仍在形成，但来自锡拉丘兹大学和麻省理工学院的一个研究小组正在从南非地下深入挖掘古代岩芯，以发掘GOE时间的线索。他们的工作为生物进化的步伐提供了新的见解，以应对不断上升的氧气水平，以及走向真核生物（其细胞包含一个封闭在膜内的细胞核的生物）出现的漫长而复杂的旅程。
该研究发表在《美国国家科学院院刊》上，由Benjamin Uveges博士领导，他在麻省理工学院担任博士后助理，完成了该项目，并与锡拉丘兹大学地球科学教授Christopher Junium合作进行了化学分析。
通过研究古代岩石记录，科学家们发现了新的线索，使地球氧化的时间线更加清晰，为我们星球进化史上最具变革性的篇章之一提供了新的视角。图片来源：Benjamin Uveges
答案嵌在岩石中
为了回溯时间，研究小组分析了从南非几个地点收集的沉积岩岩心。这些地点是经过精心挑选的，因为它们的岩石可以追溯到22亿至25亿年前，属于保存GOE证据的理想年龄范围。通过分析这些岩石中嵌入的稳定同位素比率，研究小组发现了需要硝酸盐存在的海洋过程的证据，硝酸盐是富氧条件的指标。
为了分析古代沉积物，Uveges与锡拉丘兹大学地球与环境科学副教授Junium合作。Junium专门研究过去的环境是如何演变的，以更好地了解未来的全球变化。他最先进的仪器对于获得微量氮水平的准确读数至关重要。
“我们为这项研究分析的岩石中的氮浓度非常低，太低了，无法用用于这项工作的传统仪器进行测量，”Uveges说。“Chris建造了世界上为数不多的能够测量样本中氮同位素比率的仪器之一，这些样本中的氮含量比典型的最低值低100到1000倍。”
在Junium的实验室里，该团队使用一种名为同位素比值质谱仪（IRMS）的仪器分析了南非岩石样本中的氮同位素比值。样品首先被粉碎成粉末，经过化学处理以提取特定成分，然后转化为气体。这种气体被电离（变成带电粒子）并通过磁场加速，磁场根据同位素的质量将其分离。然后，IRMS测量了¹的比率⁵N至¹⁴N、 这可以揭示过去氮是如何加工的。
同位素比值质谱仪的一个重要组成部分是冷冻捕获/毛细管聚焦模块。该设备在实现论文中提出的氮同位素分析方面发挥了关键作用，位于锡拉丘兹大学Junium的实验室。
那么，这个过程是如何揭示过去的氧气水平的呢？微生物在沉积物变成岩石之前影响其化学组成，留下氮如何被加工和使用的同位素特征。跟踪¹中的变化⁵N至¹⁴N随时间的变化有助于科学家了解地球环境，特别是氧气水平是如何演变的。
同位素比值质谱仪的一个重要组成部分是冷冻捕获/毛细管聚焦模块。该设备在实现论文中提出的氮同位素分析方面发挥了关键作用，位于锡拉丘兹大学Junium的实验室。图片来源：雪城大学Christopher Junium
重写氧气时间线
根据Uveges的说法，最令人惊讶的发现是海洋有氧氮循环的时间发生了变化。有证据表明，氮循环对溶解氧的敏感性比以前认为的要早大约1亿年，这表明海洋中的氧气积累与其在大气中的积累之间存在显著的延迟。
Junium指出，这些结果标志着氮循环的一个关键转折点，当时生物体必须更新其生化机制，以更氧化的形式处理氮，使其更难吸收和使用。
Junium说：“所有这些都符合一种新的观点，即GOE是一场旷日持久的磨难，生物体必须在利用含氧光合作用的能量收益和逐渐适应处理其副产品氧气之间找到平衡。”。
随着光合作用产生的氧气开始在大气中积累，氧气的增加导致许多厌氧生物灭绝，并为有氧呼吸的进化奠定了基础——有氧呼吸是一个利用氧气分解葡萄糖的过程，为人类和其他动物的肌肉运动、大脑活动和细胞维持等功能提供所需的能量。
Uveges说：“在地球历史的前二十多亿年里，海洋或大气中的游离氧非常少。”。“相比之下，今天，氧气占我们大气的五分之一，基本上所有复杂的多细胞生命都依赖氧气进行呼吸。因此，在某种程度上，研究氧气的增加及其化学、地质和生物影响实际上是研究地球和生命是如何共同进化到目前的状态的。”
他们的发现重塑了我们对地球表面环境在产生氧气的光合作用进化后何时变得富氧的理解。该研究还确定了一个关键的生物地球化学里程碑，可以帮助科学家模拟GOE前后不同形式的生命是如何进化的。
“我希望我们的发现能激发更多关于这一迷人时期的研究，”Uveges说。“通过将新的地球化学技术应用于我们研究的岩芯，我们可以更详细地了解GOE及其对地球生命的影响。”
