互动科普

能够进行光合作用的生物产生了呼吸所需要的氧气

地球的大气中有约20%的氧气，而火星和金星的大气基本上都不含有氧气。仅从大气中存在氧气这一点看，地球也是非常特殊的行星。

地球大气中存在氧气，这是植物和藻类等生物进行“光合作用”的结果。据推测，最早产生氧气的生物是一种叫做蓝藻（蓝菌）的原始细菌。关于蓝藻出现的年代还不能确定，但是知道大气中的氧气浓度是在22亿年前开始急速上升。

22亿年前，那正是地球从被冰层完全覆盖的“雪球地球”（全球冻结）状态解脱出来的年代。“雪球地球”状态一结束，地球大气的氧气浓度立即就急速上升。田近博士解释了出现这种现象的理由。

“在地球完全被冰层封闭起来的时期，太阳光无法到达冰层的下面，自然基本上不会有光合作用。不过，在那段时间，会从深海的热液喷口源源释放出磷一类营养物质，因此海水中应该含有丰富的营养。所以，冰层一旦融化，原来零星存活下来的那些蓝藻便能够得到丰富的营养快速大量繁殖，活跃地进行光合作用，从而导致氧气浓度急速上升。”地球就是这样变成了一个大气中含有大量氧气的行星。

氧气的诞生

左图表现了在全球冻结时期，从地球深海的热液喷口源源释放出磷等营养物质的情景。在全球冻结时期，海洋冰冻层深达1000米，但是仍有更深的海水没有冻结。当时，太阳光无法照射到冰层以下的深水处，地球上能够进行光合作用的生物仅有一小部分得以幸存，大部分都已经死亡。在这个时期，仍然不断有营养物质从热液喷口释放出来。由于海洋中当时只有很少的使用这些营养的生物，这些营养物质便大量蓄积起来。关于全球冻结的原因，现在还不十分清楚。有一种观点认为是火山活动减弱的结果，另有一种观点则认为是由于出现了进行光合作用的生物，原来大气中具有很强温室效应的甲烷迅速被分解的结果。

右图表现了在地球脱离全球冻结之后，在太阳光能够照射到的浅海底，大量的蓝藻活跃地进行着光合作用的情景。冰层融化之后，蓝藻利用那以前蓄积在海水中的营养物质快速繁殖。快速繁殖起来的大量蓝藻进行光合作用，结果导致大气中的氧气浓度急遽上升。在全球冻结时期仍然不停地有火山活动导致大气中的二氧化碳浓度缓慢上升，因此温室效应较强，估计那时的地球会比较温暖。

有了氧气，生命才得以扩张到陆地

地球的大气有一个“臭氧层”。臭氧是一种由3个氧原子结合而成的分子（普通氧气是由两个氧原子结合而成的分子）。在离地面20公里左右的高空有一层臭氧特别集中的区域，这就是臭氧层。

大气中的氧分子受到波长比较短的紫外线照射会分解为两个氧原子。3个氧原子结合在一起就形成臭氧分子。已经形成的臭氧分子如果吸收了波长比较长的紫外线，又会分解为一个氧分子和一个氧原子。这个过程重复进行，于是就阻止了对生命有害的紫外线过多地到达地表。

据推测，地球大气的臭氧层是在大约22亿年前氧气浓度急遽上升的时期形成的。不过，当初形成的臭氧浓度较高的区域不是在高空，而应该是在地表附近。由于当时氧气的浓度还很低，紫外线能够到达地表附近，所以当时应该是在地表附近形成臭氧层。

那以后，根据推测，到6亿年前，氧气浓度又再次急遽上升。因为那段时间同22亿年前一样，也是地球刚从冰冻的“雪球地球”状态中解脱出来，最有可能出现氧气浓度急遽上升。在那段时间应该是在高空形成臭氧层，当时形成的很有可能就是同现在大致相同的臭氧层。

有了臭氧层，地球就具备了生物从海洋向陆地扩张的环境条件。先是在大约4.75亿年前由植物领头，接着是在大约4亿年前的脊椎动物，终于实现了生物向陆地的进军。

（本文发表于《科学世界》2011年1期）