地球大氣中的氧氣最早是來自於被稱為「大氧化事件」的生物地質過程，這在網上的大量科普文章中有大量的描述。微觀地說，地球大氣中豐富的氧氣幾乎完全歸功於小小的藍藻數億年的不懈努力，是它們通過光合作用將氧原子從海洋中提取出來變成氧分子，並持續改善了大氣的氧氣含量，為後來豐富的需氧生物的繁盛提供了基礎。但藍藻光合作用排出的這些氧氣最初又是從哪裡來的呢？本文將著重探索一下「大氧化事件」早期的一些細節以及「大氧化事件」的前因。
大氧化事件形成的條帶狀的鐵化合物沉積層
大氧化事件是24億年前到的21-20億年前之間地球的大氣和淺海經歷的一場含氧氣量顯著上升的全球過程，地質、同位素和化學相關證據表明，是生物作用釋放的分子氧在這個時期中開始積聚在地球大氣層中，並將地球大氣從弱還原性大氣變為氧化性大氣，這為後來複雜生物的誕生提供了氧化代謝的條件。
大氧化事件的開端
早前的研究認為大氧化事件發生在23億年前，但對古代火山爆發年代的最新研究（2017）表明氧氣水平在24.6億年至24.66億年之間就開始急劇上升。而當時大量的火山爆發，地球進入了一個被稱為雪球地球的寒冷時期，也將新鮮的岩石傾倒在赤道附近的超大陸上。
實際上，地球最早的產氧微生物可能在30億年前就出現了。但是，由於不明原因，大氣中的氧氣濃度直到大氧化事件開始之前仍然非常稀薄，而大氧化事件將氧氣水平從接近零的水平提升到了現代水平的0.1％左右。
大氧化事件氧氣含量及地質時期對照
然而，確定大氧化事件的開始時間一直很棘手，因為地殼運動使得很少有那麼古老的岩石留下來。研究者們研究了南非古老的火山岩，這些岩石與一層只能在氧氣存在的條件下形成的礦物相鄰。使用早期技術，地質學家之前已經確定這些火山岩大約形成於22.22億年前，位於大氧化事件開始之後。
但應用現代技術測量岩石中放射性鈾的衰變量，研究人員將這些火山形成的時間調整為大約在24.26億年前，再加上之前發現的另一座約24.6億年前爆發的火山，它們都顯然形成於氧氣上升之前。這似乎說明原來對大氧化事件發生時間的推測是不準確的。
大氧化事件並不是唯一發生時間被調整的全球性事件。已知最古老的全球冰川期——“雪球地球”時期，其遺蹟就位於前述被發現的南非火山岩石的下方及周邊。這使得對火山噴發時間的重新確定也推動了對“雪球地球”事件時間範圍的調整，其發生的時間應該與大氧化事件的開始的時間大致重合。研究人員甚至提出，氧氣上升和溫度下降可能存在著相關性。
雪球地球
新的數據和現有的化學證據表明，大氧化事件期間的氧氣水平在高低之間波動過幾次，而不是穩步上升（氧氣濃度在22.5億年前穩定下來，並且基本保持不變，直到10億年後水平再次上升。）這種振盪與雪球地球和火山爆發是同期發生的。
研究人員認為，氣候、氧氣和火山活動在大氧化期間交織在一起。火山爆發以新鮮的岩石覆蓋了超大陸，這些岩石大多散落在在赤道附近，因為強降水使岩石風化，演示從空氣中吸收了二氧化碳，並將營養物質衝入海洋。這些營養素滋養了光合微生物，產生了大量的氧氣。氧氣在大氣中積聚並與甲烷反應，因而降低了溫室氣體的含量。隨著二氧化碳和甲烷的減少，氣候變暖得到逆轉，地球反轉凍結，隨之導致產氧生物活動減少。但隨著時間推移，火山活動再次將二氧化碳排放到大氣中，並最終使地球被重新加熱，這種過程週而復始地進行了幾億年。
這進一步說明地球大氣中氧氣的歷史應該是像過山車一樣起起伏伏而不是單向上升，雖然研究者們尚不確定岩石風化在控制古大氣中氧氣水平方面的作用。
——這些就是地球初期大氣氧氣誕生的曲折過程。但大氧化事件並不是地球大氣中氧氣的最初來源，2019年最新的研究表明：大氣中的氧氣要歸功於
大氧化事件之前整整20億年的孕育。大氧化事件為什麼這麼重要？
在大氧化事件之後，大約7億年前地球也發生過類似的一系列地質事件，導致了地球大氣第二次氧氣上升，達到了接近現代水平的程度，一些真核生物進化成為了第一批動物。兩次氧氣上升都將生命推向了更高的複雜性，並導致了人類的最終出現。
由此，大氧化事件的意義不言自明，地球上的絕大多數生物，包括我們人類，都是靠著吸入氧化性的大氣來維持我們的能量和物質代謝的。在還原性的大氣中，很多有機物都無法被分解並釋放出能量，通俗的說就是，在還原性的大氣中，你就算有“柴”也很難“生火”。廣泛的氧化性（氧化性並非全然指氧氣的存在）似乎是地球生命大爆發的前提，但更可能氧化性就是生命誕生的前提。
地球歷史上，大氣氧氣含量與生物進化的關係
氧化性的本質實際上是化學分子獲取電子的勢能，氧化性越強，獲取電子的勢能就越強，在捕獲電子時通過電子傳遞的能量就越高。生命的能量驅動完全仰賴於有機分子之間的氧化還原反應，這是應該比較確定的，這在需氧生物能量代謝的核心——煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的還原形式以及氧化形式的循環上體現地淋漓盡致。而對於原始生命來說，還原性的環境降低了電子傳遞的能力，不利於其生化過程的展開（——愁，滿世界都是自由電子，就是沒人要啊）。
地幔三價鐵的增多為地球提供了一個氧化性的開端
大約45億年前地球形成後不久，地幔的含氧量變得比原來更高，這使得在大氧化事件發生之前大約20億年，岩石中的二氧化碳和水等分子就開始洩漏到地球貧氧的大氣中，這些洩漏到大氣中的含氧小分子化合物成為了啟動生命的基礎條件，也成為地球大氣中氧氣的來源。
曾經被岩漿海洋所覆蓋的地球
在古地質學界，地幔中發生富氧化學轉變的原因一直是個謎。最近（2019.8），新的實驗室實驗表明，在地球早期的熔岩海洋中與鐵有關的化學反應使得地幔的化學平衡傾向於形成富氧化合物。如前面提到的那樣，像地球這樣的高氧化態環境是一般類地行星宜居性的一個非常重要的因素（那些富含氫氣和甲烷的行星的大氣基本上都是還原性的）。
地球在其早期的歷史中，曾遭受到了大型小行星的猛烈撞擊，這可能使得地球上產生了熔岩海洋，這些熔岩海洋可深入地幔數百公里。科學家們懷疑，這種熔岩海洋中的高壓迫使含氧的亞鐵離子轉化為兩種不同的含鐵物質：一種是富含氧的三價鐵化合物，另一種是不含氧的金屬鐵單質。由於鐵單質的高密度在液態狀態下會沉入地球的核心，留在地幔的就主要剩下了富含氧的三價鐵了。
為了測試這個猜測，德國拜羅伊特大學的地球化學家們在實驗室進行了實驗。他們模擬了岩漿海洋內600公里深的條件，在將合成地幔材料加熱到數千攝氏度的同時，研究人員使用壓力高達20吉帕（1吉帕=1000兆帕）的鐵砧來擠壓熔化的樣品——這相當於將埃菲爾鐵塔的整個質量放在一個像高爾夫球一樣大的物體上。
研究者們在暴露於這些極端條件之前和之後的樣品中測量了二價鐵和三價鐵的含量，發現無論最初在岩石中含有多少鐵，在最高壓力下，最終產物中96％的鐵都是以氧化性更強的三價鐵形式存在的。
研究者解釋說，這一發現表明，在岩漿海洋深處，三價鐵更穩定。在此深度的任何二價鐵都容易轉化為三價鐵以及會沉入核心的金屬鐵單質。也就是說，一部分鐵化合物丟掉了與之結合的氧原子，被還原成了金屬鐵單質從地幔沉澱到了更深的地核，而多餘的氧原子氧化了其它的二價鐵使之成為了氧化性更高的三價鐵，這個過程提升了整個地幔的氧化性。正是由於地幔的氧化性的提升，導致了地表氧化性的提升以及大量的氧化終產物進入到大氣當中，如二氧化碳和水（而不是一氧化碳或氫氣）。我們可以猜測，在一個富含二價鐵和三價鐵的混合黏土的海岸或者河岸邊上，地球上的第一個生命誕生了。鐵與氧的交媾對於生物的有氧代謝的重要不言而喻，在脊椎動物血紅蛋白當中就含有一個處於中心位置的二價鐵原子，血紅蛋白和類血紅蛋白分子在許多無脊椎動物、真菌和植物中也有分佈。
研究者們認為這一結果“非常有說服力”，這證明了岩漿海洋中二價鐵的化學分解可能有助於提高地球早期地幔中氧氣的相對丰度。但他們仁不清楚這種化學過程是否是導致地球早期大氣中氧氣上升的唯一原因。研究人員可以通過探索早期地球岩石的化學特徵以及來自地幔的超深鑽石來驗證此猜測。
結語
最新研究揭示了在「大氧化事件」之前存在著一個漫長的孕育期，一個為期二十億年的時期，高氧化性的地幔逐漸地將二氧化碳和水釋放到地球大氣中是推動「大氧化事件」發生的根本原因。而地幔中鐵在高壓環境下的戲劇性的“氧化還原反應”是所有這些過程背後的原始推動因素。
