许多亿年前，地球与我们今天的家园截然不同。一块名为罗迪尼亚的巨大超大陆正在分裂成碎片，这些碎片有着我们依稀熟悉的名字，如劳伦西亚、波罗地海和冈瓦纳大陆。有一段时间，地球完全被冰层覆盖。生命在这个剧烈变化的世界里艰难地生存着。
这一切都源于我们星球历史上一个科学家们今天称之为新元古代的地质时期，该时期从大约10亿年前持续到5.4亿年前。这个时期漫长的时间跨度，是通往我们今日世界遥远的序幕：一个最早的动物开始活动，从古老海洋中的原生生物进化而来的时代。
就像今天的人类和他们的同伴动物一样，这些古老的祖先也需要氧气才能生存。但氧气从何而来，又在何时出现？我们仍然没有确切的答案。但专家们已经描绘出新元古代氧气积累的模糊图景，该研究今天发表在《科学进展》杂志上。这张图景就像一次颠簸的旅程，充满了氧气进入大气层然后一次又一次消失的时期，这种循环持续了数千万年。
要追溯到那么遥远的过去，你必须抛开我们现在习以为常的大部分现代世界。“随着时间的推移，地球变得越来越陌生，”英国伦敦大学学院的地质学家、该论文的作者之一亚历山大·克劳斯说。
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事实上，地球形成后，其早期大气是由火山喷发释放出的多种气体组成的。在数十亿年里，它们在地球上形成了由有毒的甲烷、硫化氢、二氧化碳和水蒸气组成的混合物。
这会随着时间而改变。我们知道，大约23亿年前，一种名为蓝藻的微生物通过光合作用产生了大量的氧气。科学家们颇具创意地称这些最初的氧气为“大氧化事件”。但尽管名字宏伟，这次事件也只将我们大气中的氧气含量提升到今天水平的一小部分。
从那时到现在发生了什么，仍然是一个模糊的问题。许多专家认为，在大约4亿年前的古生代，也就是动物开始从海洋爬到陆地的时候，发生了另一次氧气积累事件。另一派人，包括这项新研究的作者，认为大约在7亿年前的新元古代，也发生了第三次事件。但没有人确切知道氧气是随着时间逐渐增加，还是剧烈波动。
这对地质学家来说很重要，因为大气中的氧气几乎参与了地球表面的所有过程。即使早期生命主要生活在海洋中，海洋的上层和大气也在不断地进行气体交换。
为了了解更多，克劳斯和他的合作者模拟了从15亿年前至今的大气——以及在此期间空气中氧气含量的波动。虽然他们没有技术能够闻到数十亿年前的空气，但有一些指纹可以帮助地质学家重建古代大气可能的样子。通过探测那个时代的沉积岩，他们能够测量其中的碳和硫同位素，这些同位素的形成依赖于大气中的氧气。
此外，随着地球构造板块的移动，地幔深处的氧气会通过一个称为构造脱气的过程释放出来，并冒入空气中。利用相关时代的构造活动信息，克劳斯及其同事此前估计了脱气随时间的历史。
没有人确切知道氧气是随着时间逐渐增加，还是剧烈波动。
通过将这些零散的证据拼凑起来，该团队得出了一个关于空气中氧气含量波动直到现在的预测。这不是科学家们第一次尝试建立这样的模型，但据克劳斯说，这是第一次有人尝试进行长达10亿年的时间尺度重建。“其他人只对几千万年的时间尺度进行了重建，”克劳斯说。
他和他同事们发现，地球历史上的大气氧气含量并不是一条直线。相反，想象它就像一个氧气过山车。在约1亿年的时间跨度内，氧气含量上升到现代水平的大约50%，然后又骤然下降。仅在新元古代，就出现了五次这样的峰值。
直到5.4亿年后的古生代，大气才真正开始充盈。最终，在大约3.5亿年前，氧气含量达到了接近今天的水平。这种增加恰逢被称为寒武纪生命大爆发的生命多样性大爆发。此后，尽管氧气含量仍在波动，但从未低于目前的60%以下。
“这是一篇有趣的文章，”麦吉尔大学（位于蒙特利尔）的地质学家马克斯韦尔·莱希特说，他没有参与这项研究。“这可能是过去10年左右地球遥远过去研究中的一个主要争议点。”
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然而，需要注意的是，用于模拟的数据集并不完整。“还有很多岩石没有被研究过，”莱希特说。“随着更多研究的出现，他们可能会更新模型，这可能会显著改变结果。”
显而易见的问题是，氧气趋势对生命进化产生了怎样的连锁反应。毕竟，正是在第三次可能的氧气积累事件中，原生生物开始多样化并分化成最早的动物——需要氧气才能生存的多细胞生物。古生物学家发现了大量该时期末期的化石，包括一个有争议的8.9亿年前的海绵。
这些动物可能在氧气含量足够高的时期（例如繁荣的寒武纪生命大爆发）发展和繁盛。与此同时，氧气含量的下降可能与大规模的生物灭绝事件相吻合。
天文学家也可能注意到这项工作。任何关于氧气积累的答案都对我们在遥远的类地系外行星上可能发现什么有重大影响。如果这些地质学家是正确的，那么这就证明了地球的历史不是线性的，而是颠簸的、曲折的，有时甚至是暴力的。“这篇文章涉及的问题代表了我们对地球实际运作方式理解上的一个根本性空白，”莱希特说。
