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可居住的外星世界一直是流行文化的支柱

一个多世纪以来,可居住的外星世界一直是流行文化的支柱。在19世纪,天文学家认为火星人可能会使用基于运河的运输联系来穿越红色星球。现在,尽管生活在一个科学家可以从我们自己的太阳系研究行星光年的时代,但大多数新研究仍在减少寻找其他人类可以赖以生存的世界的机会。最大的绊脚石可能是氧气-人类定居者需要在高氧气气氛中呼吸。

那么,我们如何如此幸运地在充满氧气的星球上进化呢?地球海洋和大气层的历史表明,要使O 2达到当今的水平非常困难。目前的共识是地球在大气和海洋中的氧气水平经历了三步上升,第一个被称为大约24亿年前的“大氧化事件”。之后,大约有8亿年前发生了“新生代充氧事件”,最后是大约4亿年前发生了“古生代充氧事件”,当时地球上的氧气水平达到了21%的现代峰值。

在这三个时期内发生的增加氧气水平的事情尚有争议。一种想法是,新生物对地球进行“生物工程化”,通过其新陈代谢或生活方式来改变大气层和海洋。例如,大约4亿年前陆地植物的崛起可能通过陆上的光合作用增加了大气中的氧气,从而取代了海洋中的光合作用细菌,而海洋中的光合细菌一直是地球历史上最主要的氧气生产者。另外,板块构造的变化或巨大的火山喷发也与地球的充氧事件有关。

氧在地球上如此丰富的基于事件的历史表明,我们很幸运能够生活在一个高氧世界中。如果没有发生一次火山喷发,或者没有进化出某种类型的生物,那么氧气可能停滞在低水平。但是我们的最新研究表明事实并非如此。我们创建了一个地球碳,氧和磷循环的计算机模型,发现氧的跃迁可以用我们星球的固有动力学来解释,并且可能不需要任何奇迹般的事件。

我们认为关于地球氧合作用的理论缺少的一件事是磷。这种营养对于海洋中的光合作用细菌和藻类非常重要。到底有多少海洋磷将最终控制地球上产生多少氧气。直到今天,这仍然是正确的-自30亿年前光合微生物的进化以来,情况就是如此。

光合作用在海洋中依赖于磷,但高磷酸盐含量也带动氧气的消耗量在深海大洋通过一个叫做富营养化进程。当光合微生物死亡时,它们分解,这消耗了水中的氧气。随着氧气含量的下降,沉积物往往会释放出更多的磷。该反馈回路可快速去除氧气。这意味着海洋中的氧气水平可以快速变化,但是它们在很长的时间范围内受到涉及地球地幔的另一个过程的缓冲。

在整个地球历史上,火山活动释放出与大气发生反应并从大气中清除氧气的气体。由于地球的地幔冷却,这些气体通量随着时间的流逝而消退,我们的计算机模型表明,这种缓慢的降低以及光合作用寿命的最初演变是产生一系列氧含量逐步变化所必需的。

这些阶梯式上升与整个地球历史上发生的三步式氧气上升明显相似。该模型还支持我们对海洋氧合作用的当前理解,在海洋像今天这样被弹性地氧合之前,它似乎涉及了许多次氧合和脱氧循环。

所有这一切真正令人兴奋的是,无需复杂而复杂的进化飞跃或周围环境灾难性的火山或构造事件,就可以创建充氧模式。因此看来,一旦光合作用发展起来,地球的氧合作用就不可避免了,而其他地方存在高氧世界的机会可能更高。

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