引言
我们每一次呼吸，都离不开氧气。它是生命的燃料，无处不在，我们习以为常。但如果我们能回到二十多亿年前的地球，便会惊讶地发现，当时生命眼中的氧气，完全不是“生命之源”，而是一种足以引发全球灾难的有毒污染气体。这段改变地球命运的壮丽史诗，被称为 “大氧化事件（Great Oxidation Event）”。它不仅是地球环境的一次彻底洗牌，更是生命演化史上第一次由生命自己引发的全球性危机与重生。
图1 现在的地球和太古时期的地球（想象图）
远古世界的“田园牧歌”——厌氧世界的宁静
在生命诞生后的漫长岁月里，地球是一个缺乏自由氧气的世界。早期的大气主要由氮气、二氧化碳、甲烷等气体组成，海洋中则富含溶解的亚铁等矿物质。那时的地球，笼罩在还原性的大气之下，是一片厌氧微生物的乐园。
这些地球的早期居民（如各种古菌和细菌）的新陈代谢方式与今天的我们截然不同。它们不仅不依赖氧气，甚至氧气对它们来说是致命的。它们从地球内部的热能、或者通过分解简单的无机物（如氢气、硫化物）来获取能量。这是一个相对简单而稳定的生态系统，生命在寂静中缓慢演化。
图2 古细菌显微示意图
改变世界的“叛逆者”——蓝藻[1]
改变这一切的，是一种微小生物的登场——蓝细菌（cyanobacteria，俗称蓝藻）。它们完成了一项划时代的演化创新：掌握了产氧光合作用这项“技能”。简单来说，它们能利用太阳能，分解水分子，从而制造养料，并顺手把氧气作为“废物”排到环境中（光系统II介导的产氧光合作用）。这个过程可以简化为：
6CO₂ + 6H₂O + 光能 → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
对于当时的厌氧世界而言，蓝藻的这种行为，就像第一批工厂向原始自然环境中排放强效化学物质。这种此前自然界中极为稀少、且具有强氧化性的气体，开始缓慢而不可逆转地“污染”整个星球的海洋和大气。
图3 蓝细菌（蓝藻）模式图
铁证如山——岩石中的环境档案
蓝藻释放的氧气并非立刻充满大气。它首先在海洋中发生氧化反应，与海水中大量溶解的二价铁离子结合，生成不溶于水的三价铁氧化物（铁锈）。这些铁锈颗粒沉淀到海底，年复一年，堆积形成了今天我们在全球都能看到的特殊岩层——条带状铁构造（Banded Iron Formations）。
这些一层红、一层灰的岩石，如同地球历史的“年轮”，忠实记录了大氧化事件（约24亿年前）的进程。只有当海洋中的铁被消耗得差不多了，氧气才开始“溢出”到大气中。对于习惯了无氧环境的原始生命来说，这是一场持续数百万年的窒息危机。
图4 条带状铁构造岩层
危机与灭绝——厌氧世界的黄昏
随着氧气浓度不断上升，灾难降临了。氧化性极强的氧气破坏了厌氧微生物的细胞结构，打乱了它们的正常生理活动。广阔的生存空间被“氧化”，变得不再宜居。大量的厌氧微生物种群因此衰退甚至灭绝。这很可能标志着地球生命史上首次大规模物种更替事件。
这场危机的独特之处在于，它并非来自小行星撞击等天灾，而是源于生命自身活动产生的“副产品”。然而，毁灭之中总孕育着新生的种子。
绝境逢生——生命的演化突破与进化[2]
尽管氧气对多数厌氧生物是致命的，但生命并未因此止步。面对这场“氧毒”危机，它们展现出了惊人的适应与创新能力。
一部分微生物演化出抗氧化的本领，退守到深海热液口、沼泽底部等缺氧的“避难所”，延续至今。而另一些生命则选择了更富革命性的道路：它们并未逃避氧气，反而学会了利用这种“毒物”，发明了有氧呼吸这套高效的能量获取方式。有氧呼吸能利用氧气将食物“燃烧”得更彻底，释放出比无氧代谢多十几倍的能量！这为生命走向更复杂、更活跃、体型更大提供了强大的动力基础。
最关键的飞跃是内共生事件：一个原始的真核细胞吞噬了一种需氧细菌，但没有消化它，反而与之合作。这种细菌最终演变成了我们每个细胞里的“能量工厂”——线粒体（mitochondria）。这次伟大的合作，让真核生物真正驾驭了氧气，为后来多细胞生命的绚丽爆发奠定了基石。
图5 真核细胞内共生过程示意图
地球大气氧含量的演化历程——从无氧到富氧的奥秘[3][4]
地球大气氧含量的演变并非一蹴而就，而是一段波澜壮阔的漫长历程。在大约24亿年前，由于蓝藻（又称蓝细菌）进行了划时代的演化创新，掌握了产氧光合作用，大气中的氧气首次显著增加，这被称为第一次大氧化事件，使得氧气积累达到现代水平的约1%，并导致了真核生物的出现。然而，此后地球却进入了长达十余亿年的“沉闷的十亿年”，氧气含量一度回落。根据“有机碳库模型”假说，这是因为前寒武纪海洋中存在一个巨大的溶解有机碳库，不断消耗着氧气，导致海洋和大气长期处于低氧状态。
转机发生在约5.8亿至5.2亿年前，第二次大氧化事件发生，大气氧含量快速增加到现代水平的60%以上。研究表明，这次增氧的关键驱动力是大规模的造山运动将大量蒸发岩带入海洋，其富含的硫酸盐通过微生物作用氧化了海洋中的有机碳库，打破了耗氧循环，形成了氧气增加的正反馈机制。自寒武纪生命大爆发以来，地球氧含量在10%到35%之间波动，并最终于约4.1亿年前趋于稳定在当前的21%左右，这种阶段性的上升与稳定是大气和海洋氧化状态动态耦合的结果。
表1 地球大气中氧含量随时间的变化
历史的启示——生命与环境的协同共舞
大氧化事件留给我们的，远不止21%的大气氧气和那些铁锈岩石。它深刻地揭示了一个道理：生命与环境是在协同演化的。生命活动能深刻改变环境，而环境的巨变又会反过来对生命进行严格筛选，驱动演化的车轮滚滚向前。
它告诉我们，所谓的“污染物”和“资源”是相对的，关键在于生命能否找到与之共处乃至利用它的方法。今天，人类活动正以前所未有的速度改变着大气和海洋，这段远古的历史提醒我们，需要以更长远和审慎的眼光，看待我们对地球产生的影响。
结语
我们每一次呼吸，都在重温一段远古的传奇。氧气，这个今日的生命之源，曾以“污染者”的身份，引发全球生态灾难，重塑了生命的格局。但正是这场危机，迫使生命踏上了通往复杂化的新征程。这或许正是自然演化的深邃智慧：毁灭与创造相伴，终结即是开端。
参考文献
[1] Lyons, T. W., Reinhard, C. T., & Planavsky, N. J. (2014). The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere. Nature, 506(7488), 307-315.
[2] Holland, H. D. (2006). The oxygenation of the atmosphere and oceans. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 361(1470), 903-915.
[3] Whitton, B. A., & Potts, M. (2012). Introduction to the cyanobacteria. In Ecology of Cyanobacteria II (pp. 1-13). Springer, Dordrecht.
[4] Sagan, L. (1967). On the origin of mitosing cells. Journal of Theoretical Biology, 14(3), 225-256.
本文作者：厦门大学环境与生态学院本科生 林果、王楠（先后顺序按姓氏拼音首字母排列）
（本文图片皆源自网络）
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