地球的初始气体环境
虽然如今地球的大气环境是我们熟知的氮气、氧气和二氧化碳等气体，但在地球形成之初，地球的大气环境与现在大不相同。
约46亿年前，地球形成之初，其最初的大气层主要由太阳星云中的氢和氦构成，但很快就因地球引力不足和强烈的太阳风而散逸。而在地球形成后的前20多亿年，即冥古宙和太古宙时期，又是一个完全不同的世界。当时的大气主要由火山喷发释放的二氧化碳、甲烷、氢气等还原性气体组成，游离氧极度稀缺。这一时期的海洋中富含溶解的亚铁离子(Fe²⁺)，它们与海水中的硅质、碳酸盐等物质结合，形成了层层叠叠的条带状铁建造(Banded Iron Formations，BIF)——这种特殊的沉积岩成为了当时地球无氧环境的“地质名片”。
尽管早在35亿年前，地球上就已经出现了能够进行光合作用的蓝细菌(蓝藻)，它们通过光合作用产生氧气，但这些氧气并不能在大气中积累。一方面，早期海洋中大量的亚铁离子会与氧气结合形成氧化铁沉淀，如同“氧气海绵”般将新生氧气牢牢锁住;另一方面，大气中的甲烷等还原性气体也会与氧气发生化学反应，消耗掉部分氧气。因此，在大氧化事件发生前，地球表层系统的氧气始终处于“产生-消耗”的动态平衡中，无法形成稳定的富氧环境。
蓝细菌的出现和改变
氧气尚未产生之际，海洋中主要是由厌氧微生物占据，这时蓝细菌所能利用的物质和能量很少。为了解决这种困境，蓝细菌进化出了一种在当时极为特殊的能力——它们能进行光合作用，并将水分子拆分用于合成糖分和氧气。但在当时而言，氧气与“毒气”无异，对其他微生物来说，氧气会让它们快速氧化直至死亡。于是，作为地球上第一批，也是迄今为止唯一一类能够进行产氧光合作用的微生物，在当时的地球上几乎无处不在的水为它们的大规模扩张和繁荣提供了近乎无限的资源，使它们能够遍布全球的浅海和湖泊，从而得以生成大量的氧。自此，蓝细菌开始大量繁殖并不断提高地球氧气浓度。
大约在24亿年前，地球系统的氧气缓冲能力达到了临界点。氧气的产生速率终于历史性地超过了其消耗速率，导致大气中的氧气浓度在相对较短的地质时间内(可能持续数百万年出现了戏剧性的、数量级上的跃升。
氧气短时间内大量出现的后果
尽管促进现代生命出现和进化的氧气在蓝细菌的出现后含量在一定时间内迅速增加，但对于当时的生命来说这并不是一件好事。
第一，氧气氧化了大气中的甲烷生成二氧化碳和水，这削弱了地球大气层的温室效应，使得地球的温度不断降低，最终引发了地球历史上第一次全球性冰期 ——休伦冰期(“雪球地球” 雏形)。第二，地球上原本游离氧含量极少，因此氧气含量的快速增加会对其他生命造成伤害，例如，其他微生物在接触到这些氧气后会被氧化，最终失去生命。
虽然当时氧气含量的快速增加对生命有许多坏处，但同时也带来了一定的好处。氧气浓度的增加为生物多样化的出现提供了新的机会，以及岩石、沙子、粘土和其他地质基质与地球大气、海洋和其它地表水之间化学相互作用的巨大变化。尽管有机物具有自然循环性，但生命的能量限制一直存在，直到广泛可用的氧气才使代谢进化取得突破。这一代谢进化的突破极大地增加了生物体可利用的自由能，并对全球环境产生了影响。例如，在古生代后，线粒体进化出来，为生物提供了能量以适应日益复杂的生态系统中不断发展的形态，尽管这些形态直到元古代晚期和寒武纪才出现。
最终地球的变化
在经历了漫长时间的演化后，地球的氧气含量最终稳定下来并保证现代生命的生存与进化，同时氧气作为一种高度活泼的化学元素，极大地丰富了地球的矿物学。在GOE之前，地球上的矿物种类相对较少。氧气的出现催生了大量新的氧化物、氢氧化物、硫酸盐和碳酸盐矿物。据估计，地球上超过一半的矿物种类都是在氧气出现后才形成的，这直接或间接地与氧元素有关。
文献引用：
1. 《Earth’s Earliest Atmospheres》-Kevin Zahnle1, Laura Schaefer2, and Bruce Fegley(英文期刊文献引用)
2. 《Cyanobacteria and the Oxygenation of the Atmosphere: evidence from genes and fossils.》-Schiermeister, B. E., Gagger, J. & Donoghue, P. C.(英文期刊文献引用)
3. 《Rapid oxygenation of Earth’s atmosphere2.33 billion years ago》-Genming Luo, Ono, Nicolas J. Beukes, David T. Wang, Shucheng Xie,Roger E. Summons(英文期刊文献引用)
4. Bekker, Andrey (2014). "Huronian Glaciation". In Amils, Ricardo; Gargaud, Muriel; Cernicharo Quintanilla, José; Cleaves, Henderson James (eds.).(英文期刊文献引用)
5. Sperling, Erik; Frieder, Christina; Raman, Akkur; Girguis, Peter; Levin, Lisa; Knoll, Andrew (August 2013). "Oxygen, ecology, and the Cambrian radiation of animals"(英文期刊文献引用)
6. 《THE CO-EVOLUTION OF CLIMATE AND LIFE ON EARTH》-Paul F.(英文期刊文献引用)
本文作者：厦门大学海洋与地球学院2025级本科生高金亮、殷嘉明。
本文由海洋负排放(ONCE)国际大科学计划、厦门大学碳中和创新研究中心支持。
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