◆本刊綜合

地球的大氣層是由約78%的氮?dú)狻?1%的氧氣和其他微量氣體組成。上世紀(jì)六十年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球上的氧氣并非與生俱來，而是在地球經(jīng)歷了漫長的二十多億年后才出現(xiàn)的。那么，地球上的氧氣是誰制造的？我們每時(shí)每刻賴以生存的氧氣究竟從何而來？

地球早期的氧環(huán)境

有關(guān)研究表明，地球早期的大氣環(huán)境中，存在著較多的二氧化碳和低能量電子。這些二氧化碳分子可以捕獲低能電子，而后可能發(fā)生兩種解離反應(yīng)，產(chǎn)生碳原子負(fù)離子和自由氧原子或氧分子。在特定的能量范圍內(nèi)，兩種解離反應(yīng)可能產(chǎn)生氧分子，且作為反應(yīng)產(chǎn)物的自由氧原子也可能結(jié)合為氧分子。

此外，地球早期的氧氣誕生還與產(chǎn)甲烷菌和藍(lán)細(xì)菌有關(guān)。產(chǎn)甲烷菌是厭氧微生物，以金屬鎳為食物來源，能制造大量的甲烷。藍(lán)細(xì)菌又名藍(lán)藻或藍(lán)綠藻，是最早的太陽能“收割機(jī)”，它能借助太陽能，利用二氧化碳和水生成氧氣和有機(jī)物。

圖1 藍(lán)藻和表面有氣泡的水面意味著甲烷正在上升（圖/圖蟲創(chuàng)意）

不過，雖然藍(lán)細(xì)菌一直在努力地產(chǎn)出氧氣，但它們的數(shù)量仍不及產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量，釋放的氧氣被數(shù)量更多的甲烷消耗，使得氧氣一出生便“夭折”了。大約在25億年前，地殼降溫，地球上的鎳含量急劇減少，產(chǎn)甲烷菌也隨之減少，這就使得氧氣擺脫了被產(chǎn)甲烷菌大量消耗的命運(yùn)，在空氣中的含量得以大幅提升。

光合作用很重要

自然界很難直接產(chǎn)生氧氣，有了生物才有了大量的氧氣。地球上的氧氣主要來源于植物的光合作用，以及非生物參與的水的光解。光合作用是地球上規(guī)模最大、最重要的化學(xué)反應(yīng)，它重塑了地球表面和大氣層成分，演化出千姿百態(tài)的生命形態(tài)。

在地球的氧環(huán)境中，有約70%的氧氣來源于海洋中藻類，30%來自于陸地植物的光合作用。

藍(lán)藻作為地球上最古老的原核生物之一，在地球大氣環(huán)境有氧化的進(jìn)程中起到了十分重要的作用。硅藻是海洋中最常見的浮游生物，小到幾微米，大的也不過1～2毫米。這種體型微小、結(jié)構(gòu)精妙的物種，貢獻(xiàn)了全球一半左右的氧氣，是氧氣制造的佼佼者。

圖2 顯微鏡下的硅藻（圖/圖蟲創(chuàng)意）

從地球整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)角度來看，植物每年的凈產(chǎn)氧量足以供應(yīng)地球上所有微生物和人類化石燃料消耗的氧氣。雖然從在整個(gè)地球的歷史來看，植物對氧氣的貢獻(xiàn)有限，但植物將地球的大氣環(huán)境帶到了一個(gè)相對“富氧”的時(shí)期。

延伸閱讀

『捕光』能手—— 硅藻

硅藻作為海洋赤潮的主要“肇事者”，擁有出色的藍(lán)綠光捕獲能力和極強(qiáng)的光適應(yīng)能力。

硅藻生命力頑強(qiáng)，從赤道到兩極、從表層海水到百米深海都能找到它的身影。硅藻能迅速適應(yīng)淺海和深海之間的光線變化，即使在上下起伏、劇烈翻滾的海浪中也能生存。硅藻每年吸收的二氧化碳占地球全部生態(tài)系統(tǒng)吸收二氧化碳總量的20%，與熱帶雨林的貢獻(xiàn)率相當(dāng)。這與硅藻特有的捕光天線蛋白“巖藻黃素-葉綠素a/c蛋白復(fù)合體”的功能密切相關(guān)。

目前，科學(xué)家還在對硅藻的光合膜蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，為人工模擬光合作用機(jī)理提供更多依據(jù)。未來，將有望設(shè)計(jì)出具有高效捕光和光保護(hù)能力的新型作物，為現(xiàn)代化智能植物工廠的發(fā)展提供新方向。