大部分地球上的生命都可以被粗略地分類為耗氧者及產氧者。這個供給者與需求者間的細緻平衡讓我們地球大氣中氧氣的濃度維持於約 21%。然而,並非一直都是如此。

新理論

在地球存在後的前幾個十億年間,氧氣量相當稀少。接著,似乎不知從哪裡出來的,這種雙原子氣體濃度突然間增加。更多的氧氣被提供而不是被消耗,但是是如何且為什麼發生了?

科學家多年來一直思考著這些謎團,而現在,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)的研究人員有了一個新的假說。或許有些微生物是在產氧者與耗氧者之間徘迴著。

我們已知深海中的微生物使用氧氣來分解有機物質。但如果另一種微生物在其他消費者可以獲得這些海洋中氧氣前,就已經先將它們用掉了呢?

理論上來說,如果一種微生物只部份地氧化有機物質,則有很高的機率,殘留下來的物質會與海底沉積的礦物質進行化學連結。

這個氧氣掩埋會讓有機物質更免於完全氧化,而同時又會被更貪婪的微生物所分解。因此,氧氣濃度有機會在滲入大氣層之前,在水中建立起來。接著,海洋又能夠再一次吸收氧氣,形成一個正向的回饋迴路。

地球生物學家果戈里·傅利爾助理教授(Gregory Fourier)回想說:「這讓我們想問,在那裡是否有微生物代謝(microbial metabolism),會產生部份氧化有機物質(partially oxidized organic matter,POOM)?」

基因貢獻

結果,是真的有。在搜尋科學文獻後,傅利爾助理教授與他的同事-尚海濤研究生(音譯)與丹尼爾·羅斯曼教授(Daniel Rothman),得出了一個細菌組,稱作 SAR202。

這組現代細菌能夠在今日的深海中部分地氧化有機物質。它們能夠透過一種稱作 Baeyer-Villiger 單加氧酶(Baeyer-Villiger monooxygenase,BVMO)的酵素來達成這件事。

當在追蹤這種酵素的遺傳譜系時,研究作者們發現,它存在於在大氧化事件(great oxidation event)之前演化的微生物之間。而且,地球早期氧氣激升似乎與這種基因的擴張相吻合。換句話說,隨著部分氧化有機物質的能力在微生物之間擴散,在大氣當中的氧氣濃度也跟著增加。時機點可能是個巧合,或者可能意味著,帶有這些基因的微生物幫助開啟了大氧化事件。

隨著氧氣在環境中越來越容易獲得,它很有可能協助其他微生物中類似氧化代謝的多樣化。研究作者寫到:「這很有可能是反直覺的:畢竟,氧化代謝過程是會消耗氧氣的。然而,一個潛在的重要正回饋,就存在於氧化代謝產物與沉積環境中的礦物質的反應。」

部分氧化的有機物質會跟海底沉積中的礦物質表面鍵結得更緊密。這表示說,微生物的酵素並無法輕易地到達那。深埋的氧氣因此可以在大的地質時間尺度上持續存在,最終驅使氧氣累積於地球的海洋與大氣中。

趨於平衡

在某個時間點,這個正回饋迴路會達到平衡,達到大氣中的氧氣濃度為 21%。這個時間點或許是當足夠的生物型態已經演化出來,並開始消耗氧氣。耗氧者與產氧者間的規模自此就定下來了。

另一項最近的研究支持這項假說,認為在低氧環境中深埋的有機物質,在地球的大氧化事件中,所扮演的角色比我們的所想的還要來得大。

如果,並不是行光合作用的細菌先讓大氣層中充滿氧氣,然後讓海洋中充滿氧氣,而是海洋中的礦物質讓大氣中充滿氧氣的呢?為了充實這些想法,進一步的研究是必要的。不過目前為止,它們似乎是可能的解釋。

福尼爾教授說:「提出一個嶄新方法,然後展示證據來證明其可能性,是最初但最重要的一步。我們辨識出這是一個值得研究的理論。」

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參考資料:

  1. Cassella, C., (2022, March 20). New Theory Suggests Sneaky Way Ocean Microbes and Minerals May Have Oxygenated Earth. ScienceAlert
  2. Shang, H. et al., (2022, March 14). Oxidative metabolisms catalyzed Earth’s oxygenation. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-022-28996-0
  3. Kipp, M. A. et al., (2020, December 17). High Organic Burial Efficiency is Required to Explain Mass Balance in Earth’s Early Carbon Cycle. Global Biogeochemical Cycles. doi:10.1029/2020gb006707
  4. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/ocean-microbes-and-minerals-could-together-have-oxygenated-earth(圖:Photographer _HD / 500px/Getty Images)
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