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Dalvm 發表於 2018-5-26 12:11

地球的氧氣源自何處?

資料轉自虛空殿

  氧氣,地球上大多數生物維持生命的重要基本要素之一,佔了地球大氣總量的1/5 左右,屬於「易揮發元素(volatile element)」,亦即:除非有像生命的東西能持續製造,否則氧氣不可能大量存在。目前學界主流派認為:地球氧氣的起源應是地球早期植物進行光合作用形成。而有另一非主流的觀點認為:在實驗室中側是結果顯示:火成岩風化時會釋放出氧氣。或許,這兩種說法都是對的,我們現在呼吸的氧氣,來自植物,也來自火山岩。
  NASA天文生物研究所(Astrobiology Institute,NAI)暨SETI計畫研究人員之一的Christopher Chyba,帶領一群研究人員,不僅要尋找地球生命的起源,也想瞭解宇宙中其他星球上生命存在的可能性。他們的研究主題之一,便是早期地球貧氧,現今地球富氧,因此地球氧氣究竟源自何處、何時?貧氧時代的生物如何生存?
  Chyba表示:問題不在主流的「植物光合作用」說法錯或對,而是究竟有多少種方式可以製造氧氣?哪一種方式對氧氣製造過程比較重要?還是有好幾種方式都很重要?SETI研究人員Friedemann Freund就經實驗證實而提出一種完全與生物無關的假設:當岩漿凝固成岩石(火成岩)時,中會包含少量的水,;當岩石漸漸冷卻,岩石中捕|產生所謂的過氧自由基(peroxy,由氧與矽原子組成)與氫分子。當這些火成岩風化,過氧自由基與氫分子會形成過氧化氫(雙氧水,H2O2),之後又再分解成水(H2O)與氧原子(O)。如果這個理論正確,那麼,簡單的火成岩風化過程便足以產生現在大氣中的大量氧氣。
  因此,即使沒有光合作用,在類似地球有火山運動及水的其他行星上,也可經由這一自然過程產生氧氣。更進一步地說:不管地球歷史中光合作用開始發生的時間提早或延遲,地表都有進行氧化作用的條件;當然,光合作用對氧氣的累積有加分作用。此外,Freund目前正著手研究:地球早期環境中,當火成岩風化時,在火成岩周圍是否會形成一個適合微生物聚集生存演化的「微環境」;若答案為「是」,則早期地球生命的加速演化機制是否來自此處,值得注意。
  另外,科學家也正在無生物環境中搜尋可能的氧化過程。如土星最大的衛星泰坦(土衛六,Titan)表面含有一層濃厚的大氣與海洋,可能與地球早期環境非常類似,其中大氣中絕大部分是氮,只有百分之幾的甲烷(CH4),但大氣上層的甲烷會經由太陽的紫外線照射或土星磁圈中的帶電粒子轟擊等聚合作用(polymerization)而形成長鍊狀碳氫化合物。一旦這些碳氫化合物愈來愈長,每當要再加入一個碳元素進入長鍊,就必須先踢除一些氫原子。氫原子很輕,即使形成氫分子(H2),也還是很輕,故會從大氣頂層逸散進入太空,這樣的過程相當於將星球表面大氣「氧化」,且與生命基石—氨基酸的製造有關。
  再者,地球早期貧氧狀態下,根本沒有所謂的「臭氧層」來阻擋太陽紫外線的襲擊,那麼,早期的生物是如何躲過紫外線這種「殺菌光」而存活下來的呢?有的學者認為:這些生物可能躲在地底或海洋深處,因而逃過一劫。有些學者則認為:在地球早期的海洋、湖泊或池塘中,可能是利用水中的礦物當作屏障,例如氧化鐵礦物等。當缺乏氧元素時,水中的鐵會以氧化鐵的樣貌呈現;當氧愈來愈多時,氧化鐵會繼續氧化而形成鐵礦。這種狀況,也許火星早期也曾發生過。科學家現在已在安地斯山脈中一座海拔高達6000公尺的高山湖中發現微生物的存在,他們現在正在積極地研究這些微生物如何躲避太陽紫外線的照射。
  植物、火成岩、甲烷聚合作用、貧氧環境的生物生存問題,這些與地球大氣中氧氣來源有關的問題,都正在進行研究中;而這樣的研究,卻不僅只應用在地球本身,對火星,甚至更遙遠的其他行星上的生命搜尋任務,或許都能提供重要線索。

Dalvm 發表於 2018-5-26 12:25

黯淡太陽悖論(faint young sun paradox)一直是引起科學家廣泛辯論的主題,也是地球或與地球相似的系外行星的氣候調節,變得長期穩定適合生物生長的重要分歧點。為了找到其中原因,科學家 Chris Reinhard 等人對此進行了一系列研究,研究成果近日發表於科學期刊《Nature Geoscience》。


Reinhard 是 NASA 天體生物學(astrobiology)研究所的類地球(Alternative Earths)研究計畫主持人,這項研究計畫希望能了解地球早期大氣的氧化還原情形,當作尋找系外行星的參考,甚至在日後讓人類得以在其他星球定居。

「黯淡太陽悖論」是指距今大約 30 億年前,當時太陽的能量比現在弱 25%,但地質學證據卻顯示當時的地球比現在還要溫暖的現象。對此,最常見的解釋是當時地球大氣層可能有更高濃度的溫室氣體,但這種解釋又會衍生出兩個大問題,究竟是哪種溫室氣體?又為什麼有那麼高的含量?不管是地質學、化學或生物學的各類型指標都顯示,不同的原因會導致大氣層氣體組成有差異。

為了解釋這項悖論,了解地球早期的生物型態對當時大氣層的影響,Reinhardt 帶領研究團隊進行一系列研究,研究團隊認為當時生物還沒有演化出足夠產生氧氣的光合作用能力。

研究團隊結合了不同的大氣組成假設所形成的不同生態系統,以全球氧化還原平衡狀態,模擬演化早期比較原始的光合作用過程,在生化以及氣候層面的影響。模擬結果顯示,有兩種類型的生物體能進行不產氧光合作用(Anoxygenic photosynthesis)產生足夠的甲烷,讓當時早期地球的表面溫度就算太陽能量較低也能維持溫暖。其中一類生物能代謝氫氣,另一類能將鐵氧化,同時結合兩種作用,才會產生足夠熱量,在過去氧氣不充足的條件下扮演相當重要的角色。

雖然現在光合作用已是製造氧氣的主要來源,但由於氧氣直到近 20 億年才大量存在於大氣層,而能產生氧氣的光合作用,從什麼時候開始出現一直是個未解之謎。20 億年前的地球大氣中游離氧突然大量增加的大氧化事件(Great Oxygenation Event),可能就是由於光合作用開始製造氧氣導致,但也有可能生產氧氣的光合作用更早以前就已出現,只是影響力有限,讓大氣層的氧氣當時仍不充足,到後來才因其他原因增多。如果真實情況比較符合第二種假設,那麼大氧化事件的成因就比較可能是因為地殼變動造成。

Reinhardt 及 NASA 之所以對這項問題感興趣,是因為如果第二種情況為真,那麼這些資訊就能幫助我們了解早期地球的氧氣循環,了解鐵元素在這些過程中的重要性等,為爭議已久的問題提出新觀點。除此之外,了解地球大氣層氧氣增加的過程以及早期生物對大氣層的影響,也能幫助我們辨認其他星球可能有生物的特徵。

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