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大约23亿年前，地球大气中氧气开始持续积累，这一被称为“大氧化事件”的转变彻底改变了行星的化学面貌，为复杂生命的出现铺平了道路。然而，一个长期困扰科学界的谜题是：在氧气首次成为大气持久组分之后，地球究竟如何维持足够的氧含量，使其在数千万年乃至数亿年间保持宜居？加州大学河滨分校地质学家Andrey Bekker参与的国际研究团队，通过分析南非古老岩石，发现答案可能深藏于远古海洋的磷循环之中。这项发表于《Nature Communications》的研究，首次将磷的生物可利用性与大气氧的长期动态直接联系起来。

硫酸盐驱动的磷释放：一个被忽视的反馈循环

研究团队识别出一个此前未被充分认识的正反馈机制。随着氧气溶入海洋，海水化学发生改变，硫酸盐（含硫和氧的化合物）浓度显著升高。特定微生物利用这些硫酸盐作为电子受体，更高效地分解有机质。在这一过程中，它们将原本被锁在有机质中的磷释放回水体，使其成为其他生物可获取的营养盐。磷是生命不可或缺的元素，但在地质时间尺度上，它通常以磷酸盐矿物的形式被固定，难以被生物利用。当更多磷变得可及，海洋生物生产力随之提高，更多的有机碳得以形成并最终埋藏在海底沉积物中。由于有机质分解会消耗氧气，碳埋藏量的增加相当于减少了氧气的消耗，从而有利于大气氧的持续积累。Bekker解释道：“没有磷，生物就无法正常生长或运作。一旦海洋中更多磷变得可用，就能让更多有机碳被埋藏。这一过程的副作用是，更多氧气持续释放到大气中。”

解构远古磷库：从总量到生物可利用性的方法学突破

为了验证这一假说，研究人员对南非采集的古老岩石样本进行了精细分析。以往的研究能够测定岩石中磷的总量，但这些测量几乎无法揭示生物是否真正能够利用这些磷——部分磷被包裹在矿物晶格中，对生命而言实际上是“不可及”的。研究团队采用了一种创新方法：通过逐步溶解不同的矿物组分，将赋存于不同矿物相中的磷分离，从而区分出曾经可供生物利用的磷与被矿物结构锁定的磷。这一区分至关重要，因为海洋中磷的总量并不必然指示其生物可利用量。Bekker强调：“我们现在能够将可供生物利用的磷与基本被锁定的磷分开。这让我们对远古海洋的营养水平有了远比以往清晰的认识。”该方法为重建古代营养循环及其对大气氧的影响提供了更可靠的窗口。

波动的大气氧与复杂生命延迟之谜

研究结果还描绘出地球早期大气更为动荡的历史图景。大氧化事件之后，氧气水平并非相对稳定，而是可能经历了大幅度的升降波动。这些波动持续影响着海洋化学和必需营养元素在海洋环境中的迁移，时间跨度长达数千万年。这一认识可能改变科学家对早期生命演化的解读。一个长期存在的问题是：为什么在氧气首次成为大气重要组分之后，复杂生物的出现仍然延迟了如此之久？氧气不足常被视为可能的解释。然而，如果氧气在地球早期历史的漫长时期中保持相对充足，那么其他环境条件或生物本身的限制可能在延缓复杂生命出现方面扮演了更重要的角色。

尽管这项研究聚焦于数十亿年前的往事，其启示却延伸至我们今日赖以生存的海洋。气候变化已导致全球部分海域氧气水平下降。如果脱氧持续，可能扰乱磷的再循环，减少海洋生物可获得的这一关键营养盐，从而限制生物生产力，并削弱海洋生态系统对环境压力的韧性。此外，该发现还可能助力科学家在地外寻找生命迹象。拥有海洋的星球被视为潜在宜居场所，但仅有水并不保证长期支持生命。理解地球历史上氧、营养与生物过程如何相互作用，有助于研究人员在遥远行星和含水世界上识别类似的化学关联。Bekker总结道：“地球历史表明，氧、营养和生命是协同演化的。理解这些联系，让我们对自身星球的未来以及在其他行星上可能寻找什么，有了更细致的视角。”