研究人员现在已经发现了证据，表明答案可能在于地球海洋内部的一个古老循环系统。通过研究来自南非的岩石，他们发现海洋化学的变化帮助创造了一个自然循环，在这个循环中，生物活动支持了大气氧气的持续积累。
这项发表在自然通讯上的研究涉及了包括加州大学河滨分校地质学家Andrey Bekker在内的多位科学家。他们的发现表明，磷作为生命必需的营养物质，在维持氧气水平方面发挥了核心作用，而这些氧气水平最终有助于更复杂生物的出现。
古代海洋如何帮助维持地球的氧气
大约23亿年前，地球经历了大氧化事件，这是氧气成为大气中持久成分的一个重大转折点。科学家们几十年来一直了解这一转变，但解释之后氧气如何保持足够丰富则要困难得多。
研究人员确定了一个反馈循环，这可能有助于解释所发生的事情。随着氧气扩散到海洋中，它改变了海水的化学性质，并增加了硫酸盐的浓度，硫酸盐是一种含有硫和氧的化合物。
某些微生物利用这种硫酸盐更有效地分解有机物质。在这个过程中，它们将磷释放回水中，使这种重要营养物质能够被其他生物利用。
随着更多磷的可用，生物生产力提高了。这意味着更多的有机碳最终可能被埋藏在海底沉积物中，而不是被分解。由于有机物的分解会消耗氧气，埋藏更多的碳有助于促进大气中氧气的持续积累。
这创造了一个强化循环，其中不断上升的氧气水平促进了支持生物生长的化学变化，这反过来又帮助维持了大气中的氧气。
“没有磷，生物就无法正常生长或运作，”Bekker说。“一旦海洋中有更多的磷可用，它就允许更多的有机碳被埋藏。该过程的一个副作用是，更多的氧气持续释放到大气中。”
古老岩石揭示隐藏的磷循环
为了研究这一过程，科学家们使用一种技术检查了来自南非的古老岩石样本，该技术提供了史前海洋中磷可用性的更详细图景。
早期的研究可以确定古代岩石中存在多少磷，但这些测量结果很少能揭示生物是否能够实际利用它。一些磷被困在矿物中，使得生物实际上无法获取。
研究人员通过根据含有磷的矿物来分离磷，从而解决了这一局限性。他们通过一次溶解一种不同的矿物成分来实现这一点，这使得他们能够区分可用于生物活动的磷和锁定在矿物结构中的磷。
这种区分至关重要，因为海洋中磷的总量并不一定表明有多少磷可用于维持生命。这种新方法提供了一种更JianCe的方式来重建古代营养循环，并了解它们如何影响大气氧气。
“我们现在可以将生物可利用的磷与基本上被锁定的磷区分开来，”Bekker说。“这为我们提供了比以前更JianCe的古代海洋营养水平的图景。”
地球的氧气历史可能比预期的更动荡
这些发现还表明，地球大气的历史比科学家以前认识到的更为复杂。
在大氧化事件之后，氧气水平可能并没有保持相对稳定，而是经历了更剧烈的上升和下降。这些波动可能在数千万年的时间里持续影响海洋化学以及必需营养物质在海洋环境中的运动。
这些结果也可能改变科学家对早期生命演化的解释。
一个长期存在的问题是，为什么在氧气首次成为地球大气的重要组成部分之后，复杂生物花了这么长时间才出现。有限的氧气通常被认为是造成这种延迟的可能解释。
然而，如果在地球早期历史的漫长时期内氧气保持相对丰富，这就提出了另一种可能性，即其他环境条件或生物学限制在减缓复杂生命出现方面发挥了更大的作用。
地球古代氧气循环对未来的意义
尽管这项研究关注的是数十亿年前的事件，但其影响延伸到了我们今天所依赖的海洋。
气候变化已经导致世界部分海洋的氧气水平下降。如果氧气流失持续下去，它可能会破坏磷的循环，并减少海洋生物可利用的这种必需营养物质的量。
这些变化可能会限制生物生产力，并降低海洋生态系统对环境压力的适应能力。
这些发现也可能有助于科学家在地球之外寻找生命的迹象。拥有海洋的世界被认为是调查潜在宜居性的有前景的场所，但仅存在水并不能保证条件能够长期支持生命。
了解氧气、营养物质和生物过程在整个地球历史中是如何相互作用的，可以帮助研究人员在遥远的行星和其他含海洋世界上识别类似的化学关系。
“地球的历史表明，氧气、营养物质和生命是共同演化的，”Bekker说。“了解这些联系为我们提供了一个更细致的视角，来看待我们自己星球的未来以及我们可能会在其他行星上寻找什么。”