二十億年前的次石墨（shungite）礦是一種暴露於俄羅斯西北部的沉積岩，它記錄了地球早期溫和、富氧的證據。圖片：K. Paiste。
次石墨是來自俄羅斯的20億年前的一種獨特的富含碳的沉積岩，它掌握了當時地球表面氧濃度的線索。在阿爾伯塔大學的庫爾特·康豪瑟（Kurt Konhauser）教授和塔爾圖大學的卡爾·基西馬（Kalle Kirsimäe）教授的帶領下，一個來自法國、挪威、俄羅斯和美國同事的國際研究小組發現，次石墨中鉬、鈾和錸的濃度非常高，並且鑽芯中鈾同位素比的升高。海洋沉積物中的這些微量金屬只有在周圍氧氣含量很高的情況下才會出現。研究人員發現，這種痕量金屬的濃度在地球早期的歷史上是無與倫比的，這表明在沉積次石墨礦時氧的含量較高。
“令人困惑的是，人們普遍接受的地球碳和氧循環模型預測，次石墨礦沉積時氧氣水平迅速下降。” 艾伯塔大學（University of Alberta）的博士候選人，也是該研究的主要作者曼德（Mänd）說。
大多數科學家都同意，大氣中的氧氣水平大約在24億年前顯著增加，這就是所謂的大氧化事件（GOE），到21億年前左右，已達到現代水平的一半。GOE還伴隨著沉積岩石中碳同位素比的變化。對科學家而言，這很貼切：碳同位素比率異常反映出海洋沉積物中大量的浮游生物作為有機物被掩埋，進而導致產生過量的氧氣。但是普遍的理解是，在這段高濃度之後，氧氣水平再次下降，並且在地球所謂的“中世紀”（earth's middle age）期間保持了將近十億年的低水平。
“在塔爾圖大學和塔林科技大學的支持下，我們從奧涅加湖地區獲得了新鮮的岩心，這些岩心提供了一些最好的岩石檔案資料，可以立即破譯GOE之後的環境條件。” 基西馬說。
曼德說：“我們發現的觀點與普遍觀點相矛盾，我們有明確的證據表明，在碳同位素異常結束後，大氣中的氧氣含量甚至進一步上升。這將迫使地球科學界重新思考推動地球早期碳和氧循環的因素。”
這些新發現對於理解複雜生命的演變也至關重要。地球的“中世紀”代表了真核生物的出現背景。真核生物是包括人類在內的所有複雜生命的先驅，通常需要在環境中保持較高的氧氣水平才能生長。現在，這項工作加強了這樣的建議，即存在比地球上早先認為的更長的時間，以適應早期地球上覆雜生命的演化。因此，這些發現間接支持了康豪瑟教授參與的早期研究，這些研究揭示了可能存在真核的大型痕跡化石，其歷史可追溯至21億年前。
儘管取得了這些新進展，但氧的初始上升與真核生物的出現和輻射之間的延遲仍然是一個活躍的研究領域。塔爾圖大學和阿爾伯塔大學的研究人員都可以很好地幫助回答這一問題。
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