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。一个长期困扰地质学家的难题：地质线索表明，在数亿年前，早期细菌进行光合作用，吸收二氧化碳同时呼出氧气，但这些氧气都去哪了？

图注：这些距今约25亿年前的巨型化石叠层岩位于南非。这些分层矿物被微生物群落沉积在古老的海岸线上，包括产生氧气的光合细菌。新的研究表明，在大约24亿年前，数百万年来，这些微生物产生的氧气开始积聚在地球大气层中之前，与火山气体发生反应。有东西阻碍了地球氧气的上升。对数十亿年前的岩石的新解释发现，火山气体可能是罪魁祸首。由华盛顿大学领导的这项研究发表在6月的《自然通讯》杂志上。

"这项研究重新提出了大气氧进化的经典假设，"主要作者、UW地球和空间科学博士后研究员Shintaro Kadoya说，"数据表明，地球地壳的演化可以控制地球大气层的演化，并可能控制生命的进化。”

多细胞生命需要集中供氧气，因此氧气的积累是地球上氧气呼吸生命进化的关键。Shintaro Kadoya说："如果地壳的变化控制了大气的氧气，正如这项研究所暗示的，地壳最终可能会设定生命进化的节奏。”

这项新研究建立在2019年的一篇论文的基础上，该论文发现，与现代地壳相比，早期地球地壳的氧化程度要小得多，或者地球地壳含有更多的与氧气会起作用的物质。该论文成果是对高达35.5亿年前的古火山岩的研究获得的，这些古火山岩是从南非和加拿大收集的。

图注：来自南非科马蒂山谷的古老科马蒂岩熔岩。合著者使用了30亿多年前的这类熔岩来了解地壳的化学变化。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·普赫特尔和亚利桑那州立大学的阿里尔·安巴尔是2019年论文的主要作者。他们也是新论文的合著者，新论文的课题是研究地壳的变化如何影响逃到地表的火山气体。

当地球上只有微生物生活的时候，太古代的伊恩比今天更加活跃。火山爆发会喷发出大量的岩浆（熔融和半熔融岩石的混合物）和气体，甚至在火山未喷发时火山也会逸出的气体。

其中一些气体与氧气发生氧化反应，形成其他化合物。这是因为氧特别亲和电子，所以任何带一个或两个电子的原子都有可能与氧气发生反应。例如，火山释放的氢与任何自由氧结合，从而使得大气中氧气被消耗。

地壳的化学构成，或地壳下面的较软的岩石层，最终控制着来自火山的熔融岩石和气体的类型。一个氧化程度较低的早期地衣会产生更多的气体，如氢会与自由氧结合。2019年的论文表明，从35亿年前到今天，地壳逐渐变得更加氧化。

新的研究将这些数据与古代沉积岩的证据相结合，表明25亿年前的某个时候出现了一个临界点，当时微生物产生的氧气克服了火山气体的流失，开始在大气中积聚。

“事实上，在光合作用发生后的数亿年之内，可氧化的火山气体的供应就能吞噬光合作用的氧气。”华盛顿大学地球与空间科学教授戴维·卡特林（David Catling）说， “但是随着地壳本身被进一步氧化，释放出的可氧化火山气体减少了。然后，当不再有足够的火山气体将其全部清除时，氧气便迅速上升，使得地球大气氧气含量增加。”

这对于理解地球上复杂生命的出现以及其他星球上生命的可能性具有启示。Shintaro Kadoya："研究表明，在考虑行星表面和生命的演化时，我们不能忘了对行星的地壳研究。”