摘要：一项新的研究表明，基于古代南非岩心的氮同位素分析，海洋中的有氧氮循环可能发生了约1亿年。这些发现不仅完善了地球氧合的时间表，而且还突出了临界的进化转移，生命开始适应富氧的条件 - 为像人类一样复杂的多细胞生物的出现铺平了道路。...
地球历史上的几个关键时刻可以帮助我们人类回答这个问题，“我们是怎么到达这里的？”这些时刻也阐明了这个问题，“我们要去哪里”？ - 为科学家提供对生物如何适应其环境中物理和化学变化的深入了解。其中有超过20亿年前的进化发生，被称为大氧化事件（GOE）。这标志着光合作用产生的氧气首次（对于人类和许多其他生命形式的生存至关重要）开始在大气中大量积累。
如果您及时回到GOE之前（超过24亿年前），您将遇到一个很大的缺氧（无氧）环境。当时蓬勃发展的生物是厌氧，这意味着它们不需要氧气，而依靠发酵的过程来产生能量。这些生物中的一些仍存在于当今的极端环境中，例如酸性温泉和水热通风孔。
GOE引发了地球表面历史上最深刻的化学转化之一。它标志着从有效缺乏大气中的氧气的行星过渡（且无处不在的复杂生命），向具有氧气大气的氧气，支持我们今天所知道的生物圈。
长期以来，科学家一直有兴趣指出大气中氧气发生重大转变的时机和原因，因为它们是了解包括人类在内的复杂生活的基础。尽管我们对这个关键时期的理解仍在成形，但锡拉丘兹大学和麻省理工学院的一组研究人员正在深入研究从南非以下到纪念Goe时机的古老岩石岩心。他们的工作为响应氧气水平上升的生物进化速度提供了新的见解，以及迈向真核生物出现的漫长而复杂的旅程（其细胞中包含核心核心封闭在膜内的生物体）。
这项研究发表在《美国国家科学学院》杂志上，由本杰明·乌维奇斯（Benjamin Uveges）'18博士领导，他在麻省理工学院（MIT）完成了该项目，并与锡拉丘兹（Syracuse）地球大学地球科学教授克里斯托弗·朱尼（Christopher Junium）合作进行了化学分析。
嵌入在岩石中的答案
为了退后一步，研究小组分析了从南非几个地点收集的沉积岩心。这些地点之所以仔细选择，是因为它们的岩石可追溯到2.2至25亿年，属于保留GOE证据的理想年龄范围。通过分析这些岩石中嵌入的稳定同位素比，该团队发现了需要盐存在的海洋过程的证据，这是富含氧气条件的指标。
为了分析古老的沉积物，Uveges与锡拉丘兹大学地球与环境科学副教授Junium合作。 Junium专门研究过去环境如何发展以更好地了解未来的全球变化。他的最先进的仪器对于获得痕量氮水平的准确读数至关重要。
Uveges说：“我们为这项研究分析的岩石中的氮浓度很低，无法使用用于这项工作的传统仪器进行测量。” “克里斯（Chris）建造了世界上仅有的少数仪器之一，可以测量其氮的100至1000倍的样品中的氮同位素比，而氮的最低含量比典型的最小值少。”
在Junium的实验室中，该小组使用称为同位素比率质谱仪（IRMS）的仪器分析了南非岩石样品的氮同位素比。首先将样品碎成粉末，化学处理以提取特定的成分，然后转化为气体。该气体被电离（变成带电的颗粒）并通过磁场加速，该磁场根据其质量分离了同位素。然后，IRM测量了N与N的比率，该比率可以揭示过去如何处理氮。
那么这个过程如何揭示过去的氧气水平？微生物（微生物的缩写）在沉积物变成岩石之前会影响沉积物的化学构成，留下同位素的特征，即如何处理和使用氮。随着时间的流逝，N到N的变化有助于科学家了解地球环境，尤其是氧气水平如何发展。
重写氧气时间表
根据UVEGES的说法，最令人惊讶的发现是海洋有氧氮循环的时机发生了变化。有证据表明，氮循环对溶解的氧气敏感，比以前想象的要早1亿年，这表明海洋中的氧气积累及其在大气中的积累之间存在显着延迟。
Junium指出，这些结果标志着氮循环中的关键转化点，当时有机体不得不更新其生化机械以以更氧化的形式处理氮，这对它们来说很难吸收和使用。
“所有这些都与新兴的想法相吻合，即Goe是一种持久的苦难，在这种折磨中，有机体必须在利用氧气光合作用的能量增长与处理其副产品氧气的逐渐适应之间找到平衡，” Junium说。
随着通过光合作用产生的氧气开始在大气中积聚，这种氧气的升高导致了许多厌氧生物的灭绝，并为有氧呼吸的演变奠定了基础，该过程使用氧气来破坏葡萄糖，并为肌肉运动和脑部活动和其他动物提供诸如人类和其他动物的肌肉运动所需的能量。
“在地球历史上的前2亿年中，海洋或气氛中的自由氧气极少。” “相比之下，如今，氧气占了我们大气的五分之一，基本上是我们所知道的依赖它来呼吸的复杂多细胞生命。因此，从某种意义上说，研究氧气及其化学，地质和生物学影响的兴起实际上是在研究地球和生命如何共同进化来达到当前的情况。”
他们的发现重塑了我们对地球表面环境何时在产生氧气的光合作用后变成富氧的理解。该研究还确定了一个关键的生物地球化学里程碑，可以帮助科学家模拟不同形式的生活前后如何演变。
“我希望我们的发现能够激发人们对这个有趣时期的更多研究，”乌夫斯说。 “通过将新的地球化学技术应用于我们研究的岩石岩心，我们可以对GOE及其对地球生命的影响进行更详细的图像。”
这项工作由赠款提供资金，包括：NSF职业奖（锡拉丘兹大学 - 克里斯托弗·朱尼姆）和西蒙斯基金会生命合作奖的起源（麻省理工学院 - 本杰明·乌夫斯，加雷斯·伊森和罗杰·召唤）。
