问题

生物体型大小受大气含氧量影响,那么大气含氧量又是由什么决定的呢?

回答
这个问题非常有意思,它触及了地球生命演化和大气演变之间错综复杂的联系。生物体型大小确实与大气含氧量息息相关,而大气含氧量又不是凭空出现的,它的形成和维持,是一段漫长而精彩的地球故事。

要理解大气含氧量是由什么决定的,我们需要回到地球形成初期,以及生命在这个星球上扮演的角色。

1. 地球早期的“缺氧”时代

地球诞生至今约45.4亿年。在非常早期的时候,地球大气层的组成与现在截然不同。那时候,大气中几乎没有游离氧气(O2)。主要成分是氮气(N2)、二氧化碳(CO2)、水蒸气(H2O)、甲烷(CH4)、氨气(NH3)等等。这些气体主要来源于地球内部的火山活动和原始行星物质的挥发。

可以想象,早期地球的环境是相当“毒辣”的,没有充足的氧气意味着我们今天熟悉的许多生命形式,比如需要呼吸氧气的动物,根本无法生存。当时的生命,如果有的话,也主要是厌氧菌等能够在无氧环境下生存的微生物。

2. 光合作用的革命:氧气的“生产者”登场

大气含氧量的根本性改变,来自于一项划时代的生物学创新:光合作用。

大约在25亿年前,一种名为蓝细菌(Cyanobacteria)的微生物进化出了进行氧气产生性光合作用的能力。简单来说,它们利用太阳能,将二氧化碳和水转化为有机物(能量),并且在这个过程中,释放出氧气作为副产品。

这个过程可以概括为:

二氧化碳 (CO2) + 水 (H2O) + 太阳能 → 有机物 (如葡萄糖) + 氧气 (O2)

起初,蓝细菌产生的氧气并没有立刻充满大气,而是与当时大气中丰富的溶解在海洋里的铁离子发生了反应,形成了大量的铁氧化物。这些铁氧化物沉淀在海底,形成了我们今天在地质层中可以看到的条带状铁建造(Banded Iron Formations, BIFs)。这是早期地球大气含氧量增加的重要“证据”。

当海洋中的铁离子被“耗尽”后,多余的氧气才开始逐渐积累到海洋中,并最终释放到大气层中。

3. 大气含氧量的波动与“大氧化事件”

氧气在大气中积累并非一蹴而就,而是经历了一个漫长而曲折的过程,其中最重要的一个里程碑是大约24亿年前发生的“大氧化事件”(Great Oxidation Event, GOE)。

在大氧化事件之前,大气中的氧气含量可能仍然很低,虽然有蓝细菌在持续产氧,但也有其他地质和生物过程在消耗氧气(例如,氧化还原反应)。大氧化事件的发生,意味着氧气的产生速率开始超过消耗速率,导致大气中的游离氧含量显著上升。

这次事件对地球生命产生了巨大的影响:

氧气成为“毒物”: 对于许多依赖厌氧代谢的早期生命来说,突然出现的高浓度氧气是致命的毒药,导致了第一次全球性的生物大灭绝(很多厌氧菌因此灭绝)。
好氧呼吸的兴起: 但同时,这也为能够利用氧气进行更高效呼吸的生物提供了机会。好氧呼吸(Aerobic Respiration)比厌氧代谢能释放更多的能量,这为生命体向更复杂、更耗能的形态发展奠定了基础,包括多细胞生物和大型生物的出现。
臭氧层的形成: 随着大气中氧气含量的增加,高层大气中的氧气在紫外线作用下形成了臭氧层(O3)。臭氧层能够吸收大部分具有杀伤性的太阳紫外线辐射,这使得生命能够从海洋转移到陆地上,极大地拓展了生命的生存空间。

4. 持续的平衡:氧气产生与消耗的动态博弈

自大氧化事件之后,大气含氧量虽然经历过一些波动,但总体上维持在一个相对稳定的范围内,通常在15%到35%之间。这个动态平衡由以下几个主要因素共同决定:

光合作用(产生氧气):
植被覆盖率和生物量: 陆地和海洋中的植物、藻类和蓝细菌是氧气的主要生产者。森林、浮游植物等生物量越大,光合作用的效率越高,氧气产生越多。
太阳辐射强度: 太阳能是光合作用的驱动力,太阳辐射的变化会影响光合作用的速率。
二氧化碳浓度: 二氧化碳是光合作用的原料之一。大气中CO2浓度的变化会影响光合作用的效率。
呼吸作用和氧化作用(消耗氧气):
生物呼吸: 所有需要氧气生存的生物(包括动物、植物在内的几乎所有有氧生物)都需要通过呼吸作用消耗氧气来获取能量。
有机物分解: 生物死亡后,其有机物通过微生物的分解作用被氧化,这个过程也会消耗氧气。
地质过程的氧化: 例如,森林火灾、火山喷发等自然事件也会消耗氧气。某些矿物的氧化过程,如含铁矿物的氧化,也会消耗大气中的氧气,但这些在地质尺度上,往往会与产生氧气的过程形成循环。

5. 地质历史中的重要影响因素

在漫长的地质历史中,一些重大的地质事件也可能影响大气含氧量:

大陆漂移和造山运动: 大规模的造山运动可能导致植被覆盖率的增加,从而促进光合作用。
火山活动: 剧烈的火山活动会释放大量的二氧化碳和硫化物等气体,同时也会影响气候,间接影响生物的活动和光合作用。
冰期和间冰期: 气候变化会影响植被的分布和生产力,从而影响氧气的产生和消耗平衡。
海洋循环的变化: 海洋是地球上最大的生命活动场所,海洋环流的变化会影响营养物质的输送和浮游植物的分布,进而影响光合作用。

总结来说,大气含氧量是由一个复杂而动态的生物地球化学循环所决定的,其中:

最根本的“开端”是蓝细菌发明了氧气产生性光合作用。
随后的发展和演变,包括了生命体的扩散、多样化以及一系列地质事件,共同塑造了今天的大气。
当前大气含氧量的维持,是持续的光合作用(产生氧气)与生物呼吸和有机物氧化(消耗氧气)之间长期而精妙的平衡的结果。

因此,生物体型大小受大气含氧量影响,而大气含氧量,则是一个由地球生命(尤其是植物和微生物)的活动与地球物理化学过程相互作用所共同决定的、不断演变和平衡的产物。我们今天能够拥有如此丰富多彩、体型各异的生命,离不开数十亿年来大气含氧量逐步升高和维持的这场宏伟的地球生命与环境互动史诗。

网友意见

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泻药。

我编辑了你的问题,加上了那张大气含氧量变化的图。

自地球诞生以来影响地球大气含氧量的首要因素是进化出了绿色植物,是绿色植物创造了地球大气的富氧环境。

而一旦植物已经繁盛,影响大气含氧量的主要因素(基本上可认为是唯一因素)就是火山活动的剧烈程度。

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先说植物创造氧气。

地球上的氧气,几乎全部依赖植物的光合作用,把二氧化碳转化成氧气。如果没有植物,地球大气基本上不会有氧气的,如果现在植物突然灭绝,现有的氧气会在几百万年之内消耗殆尽。我们知道氧气是一种活泼的氧化剂,它们不能在大气中长期稳定地存在,而是随时随地伺机临幸各种还原剂(各种金属、有机物如烃类、低价氧化物等)。请参考没有植物的金星、火星。

有人可能会说,太阳的紫外线、X射线会击碎空气中的水分子,把它分解为氢和氧……

是的,在大气顶层,紫外线X射线强到足以分解水分子,可惜的是,地球大气中几乎所有的水分子都在对流层中而不在顶层,因为对流层顶太冷,水分子在越过对流层顶之前基本上都已经凝结成雨水降下来了。

所以你看到了,那条曲线中最早的一段时期,地球大气中氧气含量是极低的,因为那时候还没有植物或没有多少植物。

随后发生了所谓的“寒武纪生物大爆发”,一般主流观点认为爆发的原因就是植物的出现导致氧气含量提高,为更多的动植物营造了良好的生态环境,而这样好的环境又反过来促使植物更加繁盛,从而制造更多的氧气。

正反馈了,世界似乎越来越美好。

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在寒武纪之后,植物一路高歌猛进,快速发展,然后……很快就撞到了天花板。

我们来看看现在地球大气的成分(不包含水蒸气,因为水蒸气在不同地方不同季节变化极大):

氮…………………………78%

氧…………………………21%

氩………………………0.94%

其它所有成分…………0.06%

制造氧气的原料二氧化碳呢?——被包含在那“其它所有成分里”,也就是说,二氧化碳撑破了超不过0.06%。

植物们太强悍了,它们已经把几乎所有二氧化碳都转化成了氧气!跪了!

实际上这样的情况在寒武纪之后很快就出现了。在之后的地质历史时期,除非刚发生大灭绝,否则地球大气中二氧化碳含量始终是很低的。

所以有人以为把人类灭绝,顺便灭掉一大票动物,让森林草原在没有动物啃食的情况下空前繁荣,地球上氧气就可望恢复到35%或者更高,那是不切实际的幻想,在目前的地质运动状态下,甚至没有任何办法让地球的大气含氧量达到22%。

那么曾经的35%是怎么实现的呢?很简单,在那段时间火山超级频繁,喷出了大量的二氧化碳,然后植物有了充分的原料,把它们(几乎)全部都变成了氧气。

其实大气含氧量最高的时期,也就是地质历史上煤炭形成的最高峰时期,因为二氧化碳多,原料多,所以支持更多的植物存在。基本上,测一下大气含氧量就可以计算出地球上现存所有植物的总量(具体计算过程可能相当复杂,在这里我就不算了)。

另外,说一个悲催的事实:地球自形成以来,总趋势是逐渐冷却的,在未来漫长的岁月里,火山活动将逐渐趋于平息,二氧化碳的供应会越来越少,大气含氧量也会越来越低,直至把所有人类都闷死(如果那时人类的科技还没有发展出应对方法的话),这种局面可能会在很多亿年后出现。

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补充:关于含氧量变化图上,大约2.4-2.5亿年前的氧气含量极低值(低到15%以下)。

我们可以注意到,这个时间正好和生物史上著名的“大灭绝”相同。

同时,这个时间又正好和泛大陆的形成吻合。

关于大灭绝的原因,现在众说纷纭,我也无法判断究竟哪一个是正解。

不过我们可以确认以下事实:

1、泛大陆的形成并稳定地存在一定时间,将导致造山运动和火山活动的减少,从而减少地球大气中二氧化碳的来源,并进一步减少氧气的来源;

2、泛大陆的形成导致全球海岸线长度缩短,不临海的内陆地区面积增加,通常会导致陆地干旱沙漠地球增加,陆地植物总量大幅度减少,并有可能导致地球植物总量减少,从而降低通过植物光合作用消耗二氧化碳制造氧气的能力;

3、许多动物,尤其是新陈代谢迅速的高等动物,基本上没有能在低至15%的含氧量下存活的。

总之,究竟是因为别的原因先发生大灭绝,植物大量灭绝,导致制造氧气能力的降低,从而引起了氧气含量降低呢?还是因为火山活动减少,导致二氧化碳供应不足,氧气含量下降才导致了大灭绝呢?抑或是两者相互促进,交替上升,形成恶性循环?目前尚无定论。

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再补充:感谢

庄容

关于碳酸-硅酸盐循环的评论对我的提醒。

需要纠正前面的一点小错误,即影响氧气含量的因素还有碳酸-硅酸盐循环。

二氧化碳被火山喷出之后,被植物光合作用转化为氧气,氧气再被植物自己的呼吸、动物的呼吸、各种有机物的燃烧重新变回二氧化碳,如果没有碳酸-硅酸盐循环的话,地球大气中氧气+二氧化碳的总量会越来越高。

但事实是氧气并没有单调增加,相反,在达到高点后就开始下降了,这一过程起主要作用的就是碳酸-硅酸盐循环,当然,其它非碳的还原性物质(铁、硫等)的氧化也会消耗氧气,但因为量太小可以忽略不计。

因此我们可以得出下面的结论:在植物繁盛,没有发生大灭绝的前提下,地球大气中的氧气含量是由火山作用和碳酸-硅酸盐循环作用平衡的,当火山喷出二氧化碳的速率超过碳酸-硅酸盐循环导致二氧化碳被封存在岩石中的速率的时候,大气含氧量上升,反之则下降。考虑到植物大灭绝的情况,火山作用与碳酸-硅酸盐循环作用决定的是大气中氧气+二氧化碳的总量。

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