10. Life and oxygen evolution

地球科学课程笔记：生命与氧气演化

生命的演化 (Life evolution)

• 生命多样性的特征 (How to characterize the diversity of life?): 通过域 (Domain)、界 (Kingdom)、门 (Phylum)、纲 (Class)、目 (Order)、科 (Family)、属 (Genus)、种 (Species) 等分类阶元来描述。
• 自然选择 (Natural Selection): 基于遗传差异导致的个体生存和繁殖的差异。“适者生存 (Survival of the fittest)”，适应性取决于环境。
• DNA 在演化中的作用 (DNA provides the mechanism of evolution): DNA 提供了演化的机制，不同物种间 DNA 的相似性反映了它们的亲缘关系。
• 生命之树 (Tree of life): 展示了生命多样性如何随时间演化而来。

基于能量利用的演化 (evolution in terms of energy usage)

• 氧化 (Oxidation): 分子或原子失去电子。
• 还原 (Reduction): 分子或原子获得电子。
• 氧化还原条件 (Redox Conditions): 氧气是强大的“氧化剂 (oxidizing)”剂。
• 代谢 (Metabolism): 维持生命的化学反应集合。
• 生命与电子流 (Life is a kind of slow, regulated electron flow, or electric current): 生命是一种缓慢、受调控的电子流或电流。生命将二氧化碳 (CO2) 转化为有机分子 (organic molecules)，这需要电子转移，消耗能量。
• 能量革命 (Energy revolutions):
  • 第一次能量革命 (First energy revolution): 自养 (autotrophs)，自己制造食物，利用太阳能从简单的无机物中获取电子制造有机物。
  • 第二次能量革命 (Second Energy Revolution): 含氧光合作用 (Oxygenic Photosynthesis)，利用水作为电子供体，产生氧气。不再受限于稀有的 H2S 和 H2，获得更大的太阳能利用。
  • 第三次能量革命 (Third Energy Revolution): 利用氧气进行呼吸作用 (Respiration using oxygen)。
  • 第四次能量革命 (Fourth energy revolution): 多细胞化 (Multicellularity)，异养 (heterotrophs)。细胞分化，氧化和还原物质的主动运输增加了网络和能量利用。

氧气的演化 (Oxygen evolution)

• 稳定同位素分馏 (stable isotope fractionation): 氧气有三种同位素，质量差异导致化学行为的微小差异，这种差异取决于温度。水循环会分馏氧同位素，岩浆过程不会。
• 大气圈的演化 (Evolution of Earth’s Atmosphere):
  • 原始大气 (Primordial Atmosphere): 氢和氦，可能被早期太阳风剥离。
  • 次生大气 (Secondary Atmosphere): 行星内部挥发物通过火山喷发释放，主要成分是水和二氧化碳，没有游离氧。
  • 现代大气 (Modern Atmosphere): 生命过程对早期大气的改造，去除二氧化碳，富集游离氧。
• 脱气作用 (Degassing): 大气形成的重要过程，地球内部的挥发物（如 H2O 和 CO2）通过火山活动释放到大气中。
• 早期大气成分 (Composition of Early Atmosphere): 没有 O2，有 N2 和大量的 CO2 和 H2O。
• 米勒-尤里实验 (Miller-Urey Experiment): 表明生命起源需要无氧条件。
• 大氧化事件 (Great Oxidation Event, GOE): 大约 2 到 2.2 Ga 期间大气氧气水平的上升。证据包括碳同位素变化、条带状铁建造 (Banded Iron Formation, BIF) 的减少和硫同位素质量无关分馏 (Sulfer Mass Independent Fraction) 的消失。
• 新元古代氧化事件 (Neoproterozoic Oxygenation Event, NOE): 大约 8.5 亿到 5.4 亿年前，地球大气和海洋氧气水平显著增加。
• 氧气来源 (Source of Oxygen): 光化学反应 (Photochemical reactions)（如 CO2 和 H2O 的光解）和光合作用 (Photosynthesis)，特别是蓝细菌 (Cyanobacteria) 的含氧光合作用。
• 氧气汇 (Sink of Oxygen): 铁、硫等的氧化，呼吸作用 (Respiration)，有机矿物风化 (Orgonic minearl weathering)。
• 显生元大气中的氧气浓度调节 (Regulation of oxygen concentration in the Phanerozoic atmosphere): 通过光合作用、呼吸作用、有机碳埋藏和风化、黄铁矿埋藏和风化等过程进行调节。

大灭绝 (Mass extinction)

• 背景灭绝率 (background extinction rate): 物种正常的灭绝速率。
• 大灭绝事件 (Mass Extinctions): 在相对短的时间内，大量物种灭绝的事件。
  • 二叠纪-三叠纪界线大灭绝 (Permo-Triassic (P-T) boundary): 地球历史上最大的大灭绝事件，可能与大规模火山喷发（如西伯利亚玄武岩）有关。
  • 白垩纪-古近纪界线大灭绝 (Cretaceous-Tertiary (K-T) boundary): 导致恐龙灭绝的大灭绝事件，与大型陨石撞击（希克苏鲁伯撞击事件）和大规模火山喷发（德干玄武岩）有关。
• 当前灭绝率 (current extinction rate): 远高于背景灭绝率。

地球传记 (Biography of the Earth)

• 地质时间尺度 (The Geologic Timescale): 将地球历史划分为宙 (EON)、代 (ERA)、纪 (PERIOD)、世 (EPOCH) 等单元。
• 重要地质事件时间线:
  • 地球形成: 4.6 Ga
  • 月球形成: 4.5 Ga
  • 晚期重轰炸期 (LHB): 4-3.8 Ga
  • 最早生命: 3.8-3.5 Ga
  • 冥古宙 (Hadean) 结束: 4 Ga (最古老岩石)
  • 冥古宙、太古宙 (Archean)、元古宙 (Proterozoic) 统称为前寒武纪 (Precambrain)。
  • 寒武纪 (Cambrian) 开始: 542 Ma (硬体生物出现)。
  • 古生代 (Paleozoic)/中生代 (Mesozoic) 界线: 251 Ma (盘古大陆形成)。
  • 中生代/新生代 (Cenozoic) 界线: 65 Ma。