氧氣進入地球大氣層是地球歷史上的一個決定性時刻，使地球變成了一個能夠維持複雜生命的世界。這一重大變化被稱為大氧化事件 (GOE)，發生在大約 2.1 至 240 萬年前。然而，由藍細菌產生的含氧光合作用可能在這一事件發生前數億年就已經進化了。儘管早期就有產生氧氣的能力，但大氣中的氧氣含量在很長一段時間內仍然保持在令人驚訝的低水平。長期以來，科學家們一直在爭論這種延遲的原因，考慮了火山排放、化學浸出和生物相互作用等解釋。然而，沒有任何一個因素能夠完全解釋為什麼氧氣需要這麼長時間才能在地球空氣中積聚。
為了解決這個長期存在的問題，研究人員關注了早期地球化學中經常被忽視的元素：鎳和尿素等微量化合物在藍藻生長中的作用。
日本岡山大學行星材料研究所（其地址位於斯里蘭卡佩拉德尼亞大學地質系）首席研究員 Dilan M. Ratnayake 解釋道：“如果我們殖民另一個星球，氧氣的產生將是一個巨大的挑戰。因此，我們想了解地球是否具備適合小型微生物改變包括我們在內的複雜生命進化的條件，從這項研究中獲得的見解也將為研究未來火星樣本提供新的框架。”樣本返回任務。
該研究所的 Ryoji Tanaka 教授和 Eizo Nakamura 教授也合作完成了這項工作，並發表在該雜誌上。 通訊 地球與環境。
在實驗室中重建第一個地球
該團隊進行了一項由兩部分組成的實驗研究，旨在模擬太古代地球（大約 4 至 25 億年前）的條件。在第一個實驗中，將銨、氰化物和鐵化合物的混合物暴露在紫外 (UV)-C 光下，複製臭氧層形成之前到達地球表面的強烈輻射。這些測試檢查了尿素（一種對生命重要的含氮化合物）是否可以在這些條件下自然形成。
在第二階段，通過改變環境中鎳和尿素的含量，使藍細菌（聚球藻 PCC 7002）在光照和黑暗交替的時期生長。研究人員利用光密度和葉綠素-a 水平監測生長情況，以測量這些化學因素如何影響藍藻的生產力。
根據這些結果，研究小組提出了一個新模型來解釋氧氣如何在大氣中逐漸積累。在太古宙早期，豐富的鎳和尿素可能限制了藍藻的繁殖，阻止了氧氣的持續釋放。正如 Ratnayake 博士指出的那樣，“鎳在其形成及其生物消耗方面與尿素有著複雜但令人著迷的關係，而其在較低濃度下的可用性可能導致藍細菌的增殖。”當這些水平最終下降時，藍藻能夠更可持續地生長，推動GOE中氧氣的上升達到峰值。
地球及其他地方的教訓
這些發現的意義超出了理解古代歷史的範圍。拉特納亞克博士說：“如果我們能夠清楚地了解大氣中氧氣含量增加的機制，將為檢測其他行星上的生物特徵提供線索。”他繼續說道：“研究結果表明，無機和有機化合物之間的相互作用在地球環境變化中發揮著關鍵作用，加深了我們對地球氧氣演化以及地球生命演化的理解。”
這些見解也可能為未來的行星探索提供信息，因為鎳和尿素等元素可能會影響其他星球上氧氣和生命的發展。
通過證明尿素可以在太古代條件下自然形成，並且它既充當營養物又充當抑製劑，研究人員揭示了微妙的化學平衡如何塑造地球早期的生物圈。他們的研究結果表明，隨著鎳含量下降和尿素穩定，藍細菌大量繁殖，釋放大量氧氣。這種逐漸的變化最終使地球從一顆沒有生命的星球變成了一個能夠支持複雜生態系統的星球，這是地球邁向宜居的漫長旅程中邁出的意義深遠的一步。
