氧氣進入地球大氣層是地球歷史上的一個關鍵時刻。通過將其轉變為一個可以支持複雜生命的世界。這種戲劇性的變化被稱為大氧化事件 (GOE)，發生在大約 2.1 至 24 億年前。然而，藍藻產生的氧氣光合作用可能在此事件發生前數億年就已進化。儘管它們很早就能夠產生氧氣，但大氣層水平在令人驚訝的長時間內保持在較低水平。長期以來，科學家們一直在爭論這種延遲的原因。它考慮了火山排放等解釋。化學儲存和生物反應 然而，沒有任何一個因素能夠完全解釋為什麼氧氣需要這麼長時間才能在地球空氣中積聚。
來回答一下這個冗長的問題。研究人員專注於早期地球的化學成分。人們經常忽視的是鎳和尿素等微量化合物在藍藻生長中所起的作用。
行星材料研究所的首席研究員 Dilan M. Ratnayake 博士。日本岡山大學（現地址為斯里蘭卡佩拉德尼亞大學地質系）解釋道：“如果我們殖民其他行星，產生氧氣將是一個巨大的挑戰。因此，我們正在嘗試了解如何改變微小微生物藍藻世界的條件以適應複雜生命的進化。包括我們自己。獲得的見解這項研究將為未來火星樣本返回任務的樣本分析策略提供新的框架。”
該研究所的 Ryoji Tanaka 教授和 Eizo Nakamura 教授也參與了這項工作。發表在期刊上 地球與環境溝通–
在實驗室中創造早期地球
該團隊進行了一項分為兩部分的研究，旨在模擬太古代地球（大約 4 至 25 億年前）的條件。將氰化銨和鐵化合物的混合物暴露在紫外 (UV)-C 光下，模擬臭氧層形成之前可能到達地球表面的強烈輻射。這些測試探討了尿素（一種對生命重要的氮化合物）是否可以在這種條件下自然產生。
在第二階段，培養藍藻。 （聚球藻屬 PCC 7002）在光照和黑暗交替的條件下培養。而環境中鎳和尿素的含量是不同的。研究人員通過光密度和葉綠素-a 水平追踪生長情況。測量這些化學因素如何影響藍藻的產量。
從研究結果來看，該團隊提出了一個新模型來解釋氧氣如何逐漸衰變。它如何在大氣中積累？在太古宙早期，豐富的鎳和尿素可能限制了藍藻的繁殖。正如拉塔納亞克博士指出的那樣，這使得持續釋放氧氣變得不可能。 “就其形成和生物消耗而言，鎳與尿素有著複雜但令人著迷的關係。而較低濃度的鎳會導致藍細菌的增殖。”當這些水平最終下降時，藍藻也能夠更持續地生長。這導致氧氣增加，並達到 GOE 中的最高點。
給世界和未來的教訓
這一發現的意義遠遠超出了理解古代歷史的範疇。拉塔納亞克博士說：“如果我們清楚地了解大氣中氧氣含量增加的機制，它將揭示在其他行星上檢測到的生物特徵。”他繼續說道：“這些發現表明，無機和有機化合物之間的相互作用在全球環境變化中發揮著關鍵作用。它讓我們更深入地了解地球上氧氣的演化以及地球上的生命。”
這些見解可以為未來的行星探索提供信息。這是因為鎳和尿素等元素可能會影響其他星球上氧氣和生命的發展。
通過展示尿素如何在太古宙條件下自然形成，並證明它既可以作為營養物，也可以作為抑製劑。研究人員揭示了微妙的化學平衡如何塑造地球早期的生物圈。他們的研究結果表明，隨著鎳含量的降低和尿素的穩定，藍細菌也會蓬勃發展。並釋放大量氧氣這種逐漸的變化將地球從一顆沒有生命的星球變成了一個最終可以維持複雜生態系統的星球。這是世界邁向宜居的漫長征程中的重要一步。
