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科学家揭示元古宙中期地球为低氧状态

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科学家揭示,在中元古代,地球处于缺氧状态

地球供氧的历史是一个漫长而复杂的过程。在接近当前氧水平(PAL)之前,早元古代(大氧化事件,2.45-2.2 Ga)和晚元古代(新元古代氧化事件,0.63-0.54 Ga)的大气氧含量经历了两个阶段的增加。在这个过程中,早期生命完成了从原核生物到真核生物再到动物的高级进化。长期以来,研究一直关注地球表观遗传环境与生命进化之间的内在因果关系。

地球的“中世纪”(中元古代,也称为无聊的十亿年)见证了真核生物化石的发现,也是真核生物分化和原始动物出现的前夜。一些科学家使用海洋碳酸盐岩或页岩中氧化还原敏感微量元素(如Cr和Ce)的含量或同位素来讨论平均元古代的大气氧含量,但不同指标甚至同一指标得出的结果大相径庭。大气氧分压(pO2)的变化范围可以在<0.1%PAL至10%PAL之间,这对表基因氧化状态与真核生物进化之间的遗传关系有重要影响。究其原因,要么是某些指标的氧化动力学机制和分馏机制不清楚,要么是后期成岩作用、风化作用和其他变化的影响导致元素和同位素分馏异常。因此,迫切需要寻找新的地球化学指标和良好的研究对象。

作为前伞纪最广泛的富铁海洋化学沉积岩,铁组(IF)是地质演化与古环境耦合的产物。因此,IF研究可以为讨论早期地球的构造演化、古海洋的化学成分和氧化还原状态以及生命迹象的重要性提供重要信息。与碳酸盐岩和板岩相比,IF在中元古代具有较小的沉积规模,但发育了粒状铁地层(GIF),浅水中也称为铁石,具有鲕粒或豆粒结构(图1)。IF的形成需要海水中二价铁离子的氧化,将其转化为铁沉淀,这通常与铁同位素的分馏有关。

具体的分级机制由氧化程度和速率控制。与其他岩石和液体相比,IF富含铁,因此其铁同位素组成不易受到沉积期间(碎屑污染)和沉积后成岩作用或变质变化的影响。此外,与其他微量元素同位素系统相比,对铁同位素系统和分馏机制进行了更详细的研究。考虑到水-气平衡的经典原理以及真核生物,特别是需氧生物,经常繁殖或栖息在表层海水中的事实,GIF的铁同位素组成可以提供独特和重要的信息,解释中间蛋白质带中浅水和大气含氧量与真核生物分化之间的因果关系。

在此背景下,中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究所重点实验室副研究员王长乐、加拿大麦吉尔大学博士后Maxwell Lechte、美国耶鲁大学副教授Noah Planavsky、Christopher Reinhard、,美国佐治亚理工学院副教授等共同合作,在中晚元古代和显生宙选择了几个GIF,以进行详细的岩相学研究。基于地球化学和铁同位素的分析,使用铁氧化模型定量估计了海洋和大气中的氧含量。

为了量化铁的氧化程度,与之前的转移沉淀模型不同,本研究主要使用瑞利分馏模型,该模型可以解释中间蛋白质带GIF中的广泛铁同位素值,也可以应用于含氧量高的环境条件。根据不同的分馏系数,中元古代IF具有不同程度的氧化作用。分馏系数越小,氧化程度越低。基于对影响铁氧化程度的环境因素数据的完整分类以及海水温度和pH等合适参数的选择,建立了铁氧化动力学模型,以估计不同程度铁氧化所需的水体氧含量。根据氧在水中的溶解度,并考虑到气水平衡,估算了大气中的氧含量。模型结果表明,中元古代浅水氧含量低于~5μmol/kg,大气氧含量低于1%PAL(图3)。由于在低氧条件下,除了游离氧外,微生物还可以参与水中铁(II)的氧化,因此模型结果应为氧含量的最大估计值。

 

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