科學(xué)家揭示，在中元古代，地球處于缺氧狀態(tài)

地球供氧的歷史是一個(gè)漫長而復(fù)雜的過程。在接近當(dāng)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）的大氣氧含量經(jīng)歷了兩個(gè)階段的增加。在這個(gè)過程中，早期生命完成了從原核生物到真核生物再到動(dòng)物的高級(jí)進(jìn)化。長期以來，研究一直關(guān)注地球表觀遺傳環(huán)境與生命進(jìn)化之間的內(nèi)在因果關(guān)系。

地球的“中世紀(jì)”（中元古代，也稱為無聊的十億年）見證了真核生物化石的發(fā)現(xiàn)，也是真核生物分化和原始動(dòng)物出現(xiàn)的前夜。一些科學(xué)家使用海洋碳酸鹽巖或頁巖中氧化還原敏感微量元素（如Cr和Ce）的含量或同位素來討論平均元古代的大氣氧含量，但不同指標(biāo)甚至同一指標(biāo)得出的結(jié)果大相徑庭。大氣氧分壓（pO2）的變化范圍可以在<0.1%PAL至10%PAL之間，這對(duì)表基因氧化狀態(tài)與真核生物進(jìn)化之間的遺傳關(guān)系有重要影響。究其原因，要么是某些指標(biāo)的氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)制和分餾機(jī)制不清楚，要么是后期成巖作用、風(fēng)化作用和其他變化的影響導(dǎo)致元素和同位素分餾異常。因此，迫切需要尋找新的地球化學(xué)指標(biāo)和良好的研究對(duì)象。

作為前傘紀(jì)最廣泛的富鐵海洋化學(xué)沉積巖，鐵組（IF）是地質(zhì)演化與古環(huán)境耦合的產(chǎn)物。因此，IF研究可以為討論早期地球的構(gòu)造演化、古海洋的化學(xué)成分和氧化還原狀態(tài)以及生命跡象的重要性提供重要信息。與碳酸鹽巖和板巖相比，IF在中元古代具有較小的沉積規(guī)模，但發(fā)育了粒狀鐵地層（GIF），淺水中也稱為鐵石，具有鮞粒或豆粒結(jié)構(gòu)（圖1）。IF的形成需要海水中二價(jià)鐵離子的氧化，將其轉(zhuǎn)化為鐵沉淀，這通常與鐵同位素的分餾有關(guān)。

具體的分級(jí)機(jī)制由氧化程度和速率控制。與其他巖石和液體相比，IF富含鐵，因此其鐵同位素組成不易受到沉積期間（碎屑污染）和沉積后成巖作用或變質(zhì)變化的影響。此外，與其他微量元素同位素系統(tǒng)相比，對(duì)鐵同位素系統(tǒng)和分餾機(jī)制進(jìn)行了更詳細(xì)的研究?？紤]到水-氣平衡的經(jīng)典原理以及真核生物，特別是需氧生物，經(jīng)常繁殖或棲息在表層海水中的事實(shí)，GIF的鐵同位素組成可以提供獨(dú)特和重要的信息，解釋中間蛋白質(zhì)帶中淺水和大氣含氧量與真核生物分化之間的因果關(guān)系。

在此背景下，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所礦產(chǎn)資源研究所重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員王長樂、加拿大麥吉爾大學(xué)博士后Maxwell Lechte、美國耶魯大學(xué)副教授Noah Planavsky、Christopher Reinhard、，美國佐治亞理工學(xué)院副教授等共同合作，在中晚元古代和顯生宙選擇了幾個(gè)GIF，以進(jìn)行詳細(xì)的巖相學(xué)研究?；诘厍蚧瘜W(xué)和鐵同位素的分析，使用鐵氧化模型定量估計(jì)了海洋和大氣中的氧含量。

為了量化鐵的氧化程度，與之前的轉(zhuǎn)移沉淀模型不同，本研究主要使用瑞利分餾模型，該模型可以解釋中間蛋白質(zhì)帶GIF中的廣泛鐵同位素值，也可以應(yīng)用于含氧量高的環(huán)境條件。根據(jù)不同的分餾系數(shù)，中元古代IF具有不同程度的氧化作用。分餾系數(shù)越小，氧化程度越低。基于對(duì)影響鐵氧化程度的環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)的完整分類以及海水溫度和pH等合適參數(shù)的選擇，建立了鐵氧化動(dòng)力學(xué)模型，以估計(jì)不同程度鐵氧化所需的水體氧含量。根據(jù)氧在水中的溶解度，并考慮到氣水平衡，估算了大氣中的氧含量。模型結(jié)果表明，中元古代淺水氧含量低于～5μmol/kg，大氣氧含量低于1%PAL（圖3）。由于在低氧條件下，除了游離氧外，微生物還可以參與水中鐵（II）的氧化，因此模型結(jié)果應(yīng)為氧含量的最大估計(jì)值。