浅浅问一下地球的氧含量变化和进化问题？
地球的呼吸：氧气与生命演化的宏伟篇章
当我们仰望星空，思考人类在宇宙中的位置时，一个更根本的问题也随之浮现：是什么让地球如此独特？是什么塑造了我们如今所见的繁荣生命？答案中，有一个至关重要的元素，那就是氧气。它不仅是生命呼吸所必需的，更是一场波澜壮阔的地球历史进程的产物，与生命演化紧密交织，构成了一曲恢弘的生命赞歌。
寂静的早期地球：一个“低氧”的世界
想象一下，在地球的早期，也就是大约45亿年前，它与我们现在所认识的地球截然不同。那时，地球还处于一个炙热、熔岩涌动的状态，大气层成分也远非今日的模样。科学界普遍认为，早期地球的大气层主要由氮气、二氧化碳、水蒸气、甲烷、氨气等构成，但氧气（O₂）的含量却微乎其微，几乎可以忽略不计。
在这种“厌氧”（anaerobic）甚至“缺氧”（hypoxic）的环境下，生命也只能以最原始、最简单的方式存在。最早的生命形式，大概出现在约35亿至40亿年前的海洋中，它们是厌氧菌（anaerobes）。这些微生物不依赖氧气生存，它们通过发酵等化学过程获取能量。它们在没有氧气的条件下繁衍生息，是早期地球生态系统的基石。
一次革命性的转变：大氧化事件（The Great Oxidation Event）
地球大气成分的第一次重大改变，也是生命演化史上的一次革命，大约发生在24.5亿年前，我们称之为“大氧化事件”（The Great Oxidation Event），又被称为“氧气灾难”。是什么引发了这场巨变？答案指向了另一种更不起眼的微生物——蓝细菌（cyanobacteria），也称为蓝藻。
蓝细菌是一种光合作用生物。它们进化出了一种了不起的能力：利用阳光、水和二氧化碳，制造自己的食物，同时，释放出氧气作为一种“废物”。 起初，这些氧气进入海洋后，会与海水中的溶解铁反应，形成大量的氧化铁，这些氧化铁沉积在海底，形成了我们今天在地质记录中可以清晰看到的条带状铁建造（banded iron formations）。这些富含铁的岩层，就是蓝细菌早期辛勤工作的有力证明。
随着蓝细菌数量的不断增加，它们释放的氧气越来越多，最终超过了海水中铁的“吸收能力”。于是，氧气开始突破海洋的束缚，逐渐进入大气层。
氧气入侵的代价与机遇
这个过程并非一帆风顺。对于当时绝大多数厌氧生物来说，氧气是一种剧毒。它们没有进化出应对氧气氧化性的机制，因此，氧气的出现对于它们而言，无疑是一场“生化武器”的入侵。许多厌氧生物因此灭绝，这也被一些科学家形象地称为“氧气灾难”。
然而，正如每一次巨大的变化都会伴随着牺牲一样，氧气的出现也为新的生命形式创造了前所未有的机遇。一些能够忍受氧气，甚至能利用氧气的生物开始出现。它们进化出了更有效的能量生产方式——有氧呼吸（aerobic respiration）。有氧呼吸的能量产出效率远高于厌氧代谢，这意味着利用氧气可以获得更多的能量，这为更复杂、更耗能的生命形式的出现奠定了基础。
氧气含量的波动与生命的第二次腾飞
大氧化事件并非一蹴而就，氧气含量的上升也不是线性的。在接下来的几十亿年里，地球大气中的氧气含量经历了一系列的波动。
前期（约24.5亿年前至18亿年前）： 氧气含量逐渐上升，但仍然相对较低，可能在1%至10%之间。
中静期（约18亿年前至8亿年前）： 这是一个相对平稳的时期，氧气含量维持在较低水平，可能低于1%。这个时期被称为“氧气停滞期”，原因可能与地球内部的碳循环、地质活动等多种因素有关。
新元古代大氧化事件（Neoproterozoic Oxidation Event，约8.5亿年前至5.4亿年前）： 这是一个重要的转折点。科学家们认为，在这个时期，地球的氧气含量可能再次大幅上升，甚至达到现代水平的10%或更高。这场新的氧气浪潮与当时海洋中复杂化的生物圈活动，例如更高效的光合作用、以及某些地质过程的协同作用有关。
寒武纪生命大爆发：氧气是引擎
新元古代氧气含量的提升，直接催生了生命演化的又一次伟大飞跃——寒武纪生命大爆发（Cambrian Explosion），大约发生在5.4亿年前。在这短短的几千万年里，地球上的生物种类发生了爆炸性的增长，出现了大量具有硬壳、骨骼、眼睛等复杂结构的动物，如三叶虫、奇虾等。
为什么氧气含量上升会促进这种“大爆发”？原因有几个：
1. 能量供给： 更高的氧气含量使得有氧呼吸的效率更高，为大型、活跃的生物提供了充足的能量。它们可以更好地移动、捕食、生长，这需要消耗大量的能量。
2. 组织分化与生长： 氧气也对生物体内的组织分化和生长起到了关键作用。例如，一些重要的生物化学反应，如胶原蛋白的合成，需要氧气的参与。胶原蛋白是构成结缔组织和骨骼的重要成分，它的合成能力增强，为形成更坚固的骨骼和更复杂的身体结构提供了物质基础。
3. 氧化防御机制的成熟： 随着氧气浓度的升高，生物也进化出了更完善的氧化防御机制，能够更好地应对氧气带来的氧化损伤。
可以说，寒武纪生命大爆发是地球大气从“低氧”到“富氧”转变过程中的一个重要里程碑，它标志着生命演化进入了一个新的阶段，从单调的微生物世界走向了多姿多彩的动物王国。
“石炭纪巨虫时代”：氧气达到巅峰
在之后的地质年代中，地球的氧气含量并非一成不变。在石炭纪（Carboniferous Period，约3.6亿年前至3亿年前），地球大气中的氧气含量达到了一个惊人的峰值，可能高达30%以上（而现代地球的氧气含量约为21%）。
在这个高氧时期，出现了一些令人难以置信的生物：巨大的昆虫，例如翼展可达70厘米的巨型蜻蜓（如巨脉蜻），还有体长超过2米的巨型蜈蚣和千足虫。为什么在如此高氧的环境下，昆虫能够长得如此巨大？
昆虫的呼吸系统与我们脊椎动物不同，它们依靠一套叫做气管系统（tracheal system）的网络来输送氧气。气管系统是一个开放式的管道网络，直接将空气输送到身体各处的细胞。氧气的扩散能力受距离的影响很大，在低氧环境中，气管系统只能支持较小的身体尺寸。然而，在高氧环境中，氧气可以更有效地扩散到身体内部的更深处，从而允许昆虫进化出更大的体型。
从恐龙到人类：氧气的持续影响
在石炭纪之后，氧气含量有所下降，并在中生代（包括恐龙时代）大致保持在10%至20%的范围内。即使如此，与早期地球相比，这仍然是极高的水平。恐龙的巨大体型，以及它们的活跃生活方式，也离不开相对充足的氧气支持。
进入新生代，特别是最近的几百万年，地球的氧气含量逐渐稳定在现代的21%左右。这个数值对于我们今天所知的复杂生命形式，包括我们人类自身，是恰到好处的。过高的氧气含量可能导致森林火灾的风险增加，过低的氧气含量则会限制生物的活动能力和生存范围。
氧气与生命演化的未来
地球的氧气含量并非一个静态的数字，它受到多种复杂因素的动态影响：
地质活动： 火山喷发释放二氧化碳，但也会影响大气成分。大陆板块的运动，如造山运动，也会改变陆地面积和植被分布，进而影响光合作用。
生物圈活动： 植被的生长和死亡，海洋中的浮游生物，以及其他生物的呼吸作用，都在不断地调节着氧气含量。
气候变化： 长期来看，气候变化会影响地表覆盖物和海洋的生产力，从而间接影响氧气循环。
展望未来，人类的活动，特别是燃烧化石燃料产生的二氧化碳增加，以及森林砍伐等，正在对地球的碳氧循环产生前所未有的影响。虽然我们目前的氧气含量还未受到显著威胁，但长远来看，这些变化可能会对未来的地球环境和生命演化产生深远的影响。
总而言之，地球的氧气含量变化，是一部跌宕起伏的地球史诗。从一片寂静的厌氧世界，到蓝细菌孕育的第一次“绿色革命”，再到有氧呼吸驱动的生命爆发，以及石炭纪的“巨虫王国”，每一次氧气含量的显著变化，都伴随着生命形式的巨大变革和演进。氧气，这个看似平凡的元素，却是塑造我们地球生命的关键力量，是这场持续了数十亿年的生命演化故事中，最耀眼的呼吸。理解这段历史，不仅是对过去的回溯，更是对当下生命世界的深刻洞察，以及对未来演进方向的审慎思考。
当我们仰望星空，思考人类在宇宙中的位置时，一个更根本的问题也随之浮现：是什么让地球如此独特？是什么塑造了我们如今所见的繁荣生命？答案中，有一个至关重要的元素，那就是氧气。它不仅是生命呼吸所必需的，更是一场波澜壮阔的地球历史进程的产物，与生命演化紧密交织，构成了一曲恢弘的生命赞歌。
寂静的早期地球：一个“低氧”的世界
想象一下，在地球的早期，也就是大约45亿年前，它与我们现在所认识的地球截然不同。那时，地球还处于一个炙热、熔岩涌动的状态，大气层成分也远非今日的模样。科学界普遍认为，早期地球的大气层主要由氮气、二氧化碳、水蒸气、甲烷、氨气等构成，但氧气（O₂）的含量却微乎其微，几乎可以忽略不计。
在这种“厌氧”（anaerobic）甚至“缺氧”（hypoxic）的环境下，生命也只能以最原始、最简单的方式存在。最早的生命形式，大概出现在约35亿至40亿年前的海洋中，它们是厌氧菌（anaerobes）。这些微生物不依赖氧气生存，它们通过发酵等化学过程获取能量。它们在没有氧气的条件下繁衍生息，是早期地球生态系统的基石。
一次革命性的转变：大氧化事件（The Great Oxidation Event）
地球大气成分的第一次重大改变，也是生命演化史上的一次革命，大约发生在24.5亿年前，我们称之为“大氧化事件”（The Great Oxidation Event），又被称为“氧气灾难”。是什么引发了这场巨变？答案指向了另一种更不起眼的微生物——蓝细菌（cyanobacteria），也称为蓝藻。
蓝细菌是一种光合作用生物。它们进化出了一种了不起的能力：利用阳光、水和二氧化碳，制造自己的食物，同时，释放出氧气作为一种“废物”。 起初，这些氧气进入海洋后，会与海水中的溶解铁反应，形成大量的氧化铁，这些氧化铁沉积在海底，形成了我们今天在地质记录中可以清晰看到的条带状铁建造（banded iron formations）。这些富含铁的岩层，就是蓝细菌早期辛勤工作的有力证明。
随着蓝细菌数量的不断增加，它们释放的氧气越来越多，最终超过了海水中铁的“吸收能力”。于是，氧气开始突破海洋的束缚，逐渐进入大气层。
氧气入侵的代价与机遇
这个过程并非一帆风顺。对于当时绝大多数厌氧生物来说，氧气是一种剧毒。它们没有进化出应对氧气氧化性的机制，因此，氧气的出现对于它们而言，无疑是一场“生化武器”的入侵。许多厌氧生物因此灭绝，这也被一些科学家形象地称为“氧气灾难”。
然而，正如每一次巨大的变化都会伴随着牺牲一样，氧气的出现也为新的生命形式创造了前所未有的机遇。一些能够忍受氧气，甚至能利用氧气的生物开始出现。它们进化出了更有效的能量生产方式——有氧呼吸（aerobic respiration）。有氧呼吸的能量产出效率远高于厌氧代谢，这意味着利用氧气可以获得更多的能量，这为更复杂、更耗能的生命形式的出现奠定了基础。
氧气含量的波动与生命的第二次腾飞
大氧化事件并非一蹴而就，氧气含量的上升也不是线性的。在接下来的几十亿年里，地球大气中的氧气含量经历了一系列的波动。
前期（约24.5亿年前至18亿年前）： 氧气含量逐渐上升，但仍然相对较低，可能在1%至10%之间。
中静期（约18亿年前至8亿年前）： 这是一个相对平稳的时期，氧气含量维持在较低水平，可能低于1%。这个时期被称为“氧气停滞期”，原因可能与地球内部的碳循环、地质活动等多种因素有关。
新元古代大氧化事件（Neoproterozoic Oxidation Event，约8.5亿年前至5.4亿年前）： 这是一个重要的转折点。科学家们认为，在这个时期，地球的氧气含量可能再次大幅上升，甚至达到现代水平的10%或更高。这场新的氧气浪潮与当时海洋中复杂化的生物圈活动，例如更高效的光合作用、以及某些地质过程的协同作用有关。
寒武纪生命大爆发：氧气是引擎
新元古代氧气含量的提升，直接催生了生命演化的又一次伟大飞跃——寒武纪生命大爆发（Cambrian Explosion），大约发生在5.4亿年前。在这短短的几千万年里，地球上的生物种类发生了爆炸性的增长，出现了大量具有硬壳、骨骼、眼睛等复杂结构的动物，如三叶虫、奇虾等。
为什么氧气含量上升会促进这种“大爆发”？原因有几个：
1. 能量供给： 更高的氧气含量使得有氧呼吸的效率更高，为大型、活跃的生物提供了充足的能量。它们可以更好地移动、捕食、生长，这需要消耗大量的能量。
2. 组织分化与生长： 氧气也对生物体内的组织分化和生长起到了关键作用。例如，一些重要的生物化学反应，如胶原蛋白的合成，需要氧气的参与。胶原蛋白是构成结缔组织和骨骼的重要成分，它的合成能力增强，为形成更坚固的骨骼和更复杂的身体结构提供了物质基础。
3. 氧化防御机制的成熟： 随着氧气浓度的升高，生物也进化出了更完善的氧化防御机制，能够更好地应对氧气带来的氧化损伤。
可以说，寒武纪生命大爆发是地球大气从“低氧”到“富氧”转变过程中的一个重要里程碑，它标志着生命演化进入了一个新的阶段，从单调的微生物世界走向了多姿多彩的动物王国。
“石炭纪巨虫时代”：氧气达到巅峰
在之后的地质年代中，地球的氧气含量并非一成不变。在石炭纪（Carboniferous Period，约3.6亿年前至3亿年前），地球大气中的氧气含量达到了一个惊人的峰值，可能高达30%以上（而现代地球的氧气含量约为21%）。
在这个高氧时期，出现了一些令人难以置信的生物：巨大的昆虫，例如翼展可达70厘米的巨型蜻蜓（如巨脉蜻），还有体长超过2米的巨型蜈蚣和千足虫。为什么在如此高氧的环境下，昆虫能够长得如此巨大？
昆虫的呼吸系统与我们脊椎动物不同，它们依靠一套叫做气管系统（tracheal system）的网络来输送氧气。气管系统是一个开放式的管道网络，直接将空气输送到身体各处的细胞。氧气的扩散能力受距离的影响很大，在低氧环境中，气管系统只能支持较小的身体尺寸。然而，在高氧环境中，氧气可以更有效地扩散到身体内部的更深处，从而允许昆虫进化出更大的体型。
从恐龙到人类：氧气的持续影响
在石炭纪之后，氧气含量有所下降，并在中生代（包括恐龙时代）大致保持在10%至20%的范围内。即使如此，与早期地球相比，这仍然是极高的水平。恐龙的巨大体型，以及它们的活跃生活方式，也离不开相对充足的氧气支持。
进入新生代，特别是最近的几百万年，地球的氧气含量逐渐稳定在现代的21%左右。这个数值对于我们今天所知的复杂生命形式，包括我们人类自身，是恰到好处的。过高的氧气含量可能导致森林火灾的风险增加，过低的氧气含量则会限制生物的活动能力和生存范围。
氧气与生命演化的未来
地球的氧气含量并非一个静态的数字，它受到多种复杂因素的动态影响：
地质活动： 火山喷发释放二氧化碳，但也会影响大气成分。大陆板块的运动，如造山运动，也会改变陆地面积和植被分布，进而影响光合作用。
生物圈活动： 植被的生长和死亡，海洋中的浮游生物，以及其他生物的呼吸作用，都在不断地调节着氧气含量。
气候变化： 长期来看，气候变化会影响地表覆盖物和海洋的生产力，从而间接影响氧气循环。
展望未来，人类的活动，特别是燃烧化石燃料产生的二氧化碳增加，以及森林砍伐等，正在对地球的碳氧循环产生前所未有的影响。虽然我们目前的氧气含量还未受到显著威胁，但长远来看，这些变化可能会对未来的地球环境和生命演化产生深远的影响。
总而言之，地球的氧气含量变化，是一部跌宕起伏的地球史诗。从一片寂静的厌氧世界，到蓝细菌孕育的第一次“绿色革命”，再到有氧呼吸驱动的生命爆发，以及石炭纪的“巨虫王国”，每一次氧气含量的显著变化，都伴随着生命形式的巨大变革和演进。氧气，这个看似平凡的元素，却是塑造我们地球生命的关键力量，是这场持续了数十亿年的生命演化故事中，最耀眼的呼吸。理解这段历史，不仅是对过去的回溯，更是对当下生命世界的深刻洞察，以及对未来演进方向的审慎思考。
网友意见
不要靠拍脑袋去“大概”氧含量的增减趋势。
过去 80 万年间，大气氧含量下降了 0.7 个百分点，并未观测到和这有关的什么演化创新；
有观测记录以来，大气中的氧分子平均每年减少百万分之 19。
设每年大气氧分子的数量变为上一年的 99.9981% 的趋势能持续 1000 年，则 1000 年后大气氧分子的数量约为现在的 98.118%，氧含量从约 21% 变为约 20.6%，下降 0.4 个百分点。
看看历史上的氧含量变化幅度[1]：
你就知道当前的变化趋势在 1000 年间对演化的影响可以忽略。
现存的所有门级分类单元的呼吸系统都曾在大气氧含量比现在低 8 个百分点的时候工作。
参考
- ^ https://www.researchgate.net/figure/Variations-in-atmospheric-oxygen-concentrations-over-geological-time-Green-arrows-and_fig1_264759228
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