众所周知，氧气是地球上所有的高级生命包括人类所必需的。但是，在地球上最初并没有氧气。那么，氧气最早是在什么时候在大气中出现的？是什么因素导致氧气产生？……现今不少地球科学家热衷于一门新兴的学科——天体生物学的研究，并试图从那些古老的岩石记录的片段中揭示氧气的演化史。

　　氧气的出现

　　关于氧气演化史的研究结果可以肯定的一点是：地球上一开始并没有气态氧，也就是没有双原子组成的氧气，大多数的氧元素以结合态存在于岩石与水中。而生命体也是由非生命物质进化而来的。地球上第一个生命出现之后，就开始产生氧气，但所产氧气的量很少，不足以作为生命体产生能量所需的气体。

　　天体生物学家研究发现，大气中的的氧气从无到有，从少到多，主要与距今20亿年前左右出现的两个巨大变化有关：一是原始生命体的出现，二是原始生命体的衰退促进了高级生命体的出现。英国布里斯托大学的天体生物学家大卫。卡特琳认为，大气中氧气的出现彻底改变了生命进化的历程，氧气对于地球上高级生命体是必要条件，而且他坚持认为在其他星球上也是如此。

　　经过半个多世纪的研究，科学家也不能肯定氧气是否有助于生命体的形成。但不管怎样，在气态氧出现之前，大约35亿年前时第一个生命体在地球上就诞生了。这些生命体通过“呼吸”一些物质（如铁），以维持生命活动所需的能量。至于地球处于缺氧状态到底有多久，对此问题科学家已经争论了几十年了，直到近几年这个争论才算有些眉目。

　　哈佛大学的地球化学家赫里奇·哈罗德认为，地球处于缺氧状态距今超过20亿年。他和他的支持者提出了一系列的证据。例如，在古老的土壤、河床和沉积岩里发现的至今有24亿年的一些矿物质，没有发现被氧化的迹象，也没有发现类似于铁锈的铁矿石。而另一种观点则不同，该观点是由哈罗德的学生、帕克大学和宾州州立大学的希罗西。奥莫托提出的，认为氧气出现的时间要早得多，大约在30亿年前甚至更早，理由是有些矿物质片断可能在30亿年前或更早就已发生了氧化。

　　可后来的证据支持了哈罗德的观点，终于使得这场师生之争可以告一段落了。解决这一问题的关键是科学家发明了一种检测地球上氧存在的技术。这种技术由美国马里兰大学地球化学家詹姆斯。法奎尔和他的同事于2000年研制出来。其原理是利用太阳光分解二氧化硫，再通过检测同位素硫的方法来测定氧的含量。测定结果表明，24亿前氧气就出现在地球上。

　　氧气出现在地球上之后，其含量一直持久上升，有力地推动了生命的进化。迄今所获得的最早的化石是出现在20亿年前左右的真核生物的化石。

　　氧气到底是从什么时候开始参与生命体的氧化过程，从而为生命活动供应能量的呢？一些原始的“氧气绿洲”可能是标志性生物，如蓝藻是一种可以捕捉光能、通过光合作用产生氧气的藻类。研究人员还发现，在澳大利亚西部的哈马斯莱盆地遗留有氧气渗透到环境中的迹象。

　　“短暂”的停滞

　　从原生代生命进化与氧气发展相关的历程中可以看到，从蓝藻开始产生氧气到“大氧化时代”历经3亿年。为什么会出现这个“短暂”的停滞呢？科学家们提出几种可能的解释。

　　其一，加州理工学院的地球生物学家约瑟夫。科氏维克认为，27亿年前出现的蓝藻实际上直到24亿年前才具备产生氧气的能力，而不像大多数人所想像的那样一开始就可以进行光合作用。

　　其二，一些地球科学家认为，像氢气等一些耗氧的火山气体到24亿年前开始逐渐消失，使得氧气的量不断上升。但是，最近对于来自地球深处的古代岩石的研究表明，这些火山气体在“大氧化时代”的供应量并未下降而是上升。

　　其三，卡特琳及其同事认为，原始大气中甲烷的高含量使得氢“漏”到了大气中，从而允许经由光合作用产生的氧气来氧化地球。卡特琳、华盛顿大学的天体生物学家马克·克莱尔和美国国家航空航天局阿默斯研究中心的天体物理学家开文·萨侬通过模拟实验证实了这个观点。

　　漫长的10亿年

　　“大氧化时代”之后的10亿年，真核生物并没有明显的进化，时光仿佛凝固了，而且有越来越多的证据表明，“大氧化时代”其实是名不副实。为弄明白这10亿年生命进化为何停止，科学家们把目光转向了海洋。

　　首先怀疑“大氧化时代”的是地球化学家加尼菲尔德。他发现，除了海洋表层水以外，其他所有水层的海水都处于缺氧状态，这种状态自从氧气出现在地球上居然持续了10亿年之久。2002年，亚利桑那州立大学的地球化学家阿莱尔·安贝和哈佛大学的古生物学家安德鲁·克诺尔，把加尼菲尔德的观点与生命进化史联系起来，建议把那10亿年的海洋称之为“加尼菲尔德海洋”，因为海水中的氧含量仅有现今的1%—10%，也就是说，真核生物藻类一直处于某种饥饿状态，从而阻碍了进化的过程。

　　至此，“加尼菲尔德海洋”和“地球营养不良假说”开始进入人们的视野。后来有多个研究小组采用加尼菲尔德的硫同位素分析方法，发现原生代（从25亿年前到5.4亿年前）也一直处于缺氧状态。

　　从生命进化的角度来看，原生代10亿年的停步不前还是一个谜，而此后大气中氧气持续上升至接近现今的水平则是更大的一个谜。总之，经过原生代10亿年的停滞，到了7亿年前或6亿年前的原生代末期，大气中氧气的含量上升至现今的水平，这推动了多细胞动物的诞生，随后大型动物陆续在地球上出现。

　　尽管有关氧气演化史的假设众多，但科学家无疑都抓住了一个反映氧气演化进程的根本特征，这就是地层保留原始生命体的记录。由于这些古老的记录非常少，要从那些古老的岩石中搜寻证据，并从中整理出其中的来龙去脉，看来还得耗费相当长的时间。