氧气,看不见摸不着,但它却是我们地球生命赖以生存的重要气体。
如果没有氧气,世界万物将会窒息而亡。幸运的是,氧气在自然界之中的分布十分广泛,将近地壳质量的一半,所以不用担心氧气在哪一天会忽然消失。然而,看似平平无奇却又十分重要的氧气,它在空气中的含量和浓度却会对地球生物造成不同程度的影响和变化。
地球温度变化
我们当前所生存的氧气环境对于人体来说确实是十分适宜,但是,在地球诞生至今的46亿年之中,氧气的浓度和含量却并不始终如一,而是充斥着变化。
其中,有两个生命形成的重要时期,都出现了氧气暴增事件,地球万物都处在高浓度的氧气环境之中,无时无刻都在产生氧化反应。
活泼的气体-氧气
关于氧气,一直有一个调侃:氧气是一种有毒气体,它会让人类在70-100年里慢性死亡。虽然,这样的说法并未存在证实性,但它也让我们聚焦于氧气这种在日常生活之中无处不在的气体,让人产生那么一瞬间的胆战心惊。那么首先,我们就先来深入了解一下探讨的主角-氧气,看看它是否如同我们所认识的那样无害。
氧气是一种无色无味的气体,是氧元素最常见的一种形态,而较为少见的液体和固体形态的氧都是蓝色,占地球空气的百分之二十左右。氧气是一种化学性质非常活泼的气体,它能与很多化学元素产生氧化反应,这种活泼程度在高温之下尤其明显。
因此,氧气常常被用于高温金属的切割焊接和冶金工业,它能使火焰温度变得更高,更加易于熔融等高温工业操作。
目前,除了自然界之中自然产生的氧气,在工业领域和实验室里也有着各种各样人工造氧的方式,这些人工制造出来的氧气不仅被用于冶炼化学和飞机助燃,在医疗方面,这些氧气也能被用来救助伤病人员,以维持供给呼吸;同时,在一些低氧或无氧的高危作业环境里,也需要使用氧气的补给。
但是,也正因为这些被人工制造出来的氧气,使其形成了聚集和富集的环境,所以,一旦没有做好保护措施,这些氧气就极其容易进入易燃易爆炸的状态,引发规模性爆炸。不过,人造氧气易燃易爆的危害并不意味着自然界的氧气就是绝对安全的了,由于其性质过于活泼,往往会与周围环境无时无刻地产生氧化反应。
而氧气产生的氧化反应就会使金属极易出现锈蚀,使动物产生衰老。但同时,我们人类和生命万物的生存又无法离开氧气,所以,我们不得不与氧气共同生存在地球之上。那么,地球上的氧气,是如何产生的呢?
氧气如何产生
氧气的产生主要有生物参与和非生物参与两种模式。当然,在地球生命出现之前,氧气的产生主要是依赖于非生物参与的模式。
其实,在地球大气层的形成初期并没有包含氧气,而是充斥着甲烷和氨,而这两种气体也为生命的形成提供了生化构造基础。后来,随着大气环境之中的二氧化碳逐渐捕获低能量电子而产生了解离反应,从而初步诞生了小部分碳原子和氧分子,从而使得地球上产生了极小部分的氧气。而这个非生物产氧原理目前也被用以佐证其它类地行星诞生生命的可能性,为人们研究星际介质提供了认知拓展。
地球氧气含量变化图
后来,随着地球逐渐出现生命迹象,在一些藻类和植物产生光合作用的过程之中,氧气含量得到进一步提升,将大气层向氧化氛围转变。
同时,愈发致密的大气层也在阻拦着氧气和水的流失,与此同时,地球的大氧化事件也正式拉开帷幕。那么,地球诞生46亿年来发生的两次大氧化事件,带来了怎样的影响?
地球的大氧化事件
三十八亿年前,地球上的氧气还极其稀薄,主要依靠一些非生物参与的物理化学反应而产生氧气,而生物参与产生的氧气仅仅依靠蓝藻借助太阳能的光合作用,但这些蓝藻产生的氧气量却受制于大量厌氧菌微生物的桎梏,这些厌氧菌不断消耗着蓝藻产生的氧气,导致地球的氧气含量一直居低不上,极其稀薄。
而这些厌氧菌之所以能够发育得这么猖獗,是因为在这个时期的地球海洋镍含量偏高,能给厌氧菌提供丰富的食物来源。
但是随着时间的推移,在二十五亿年前,由于地壳降温,海洋中的镍含量直线下降,这些厌氧菌失去了食物来源,数量开始急剧下降,而蓝藻这些能进行光合作用的单细胞生物则获得了更多的生存空间。
在二十六亿年前,生活在原始海域之中的蓝藻等单细胞生物开启了地球上第一次氧化事件,它们在光合作用之下不断制造出氧气,使得地球上的氧气含量不断上升到百分之一的浓度。氧气含量的上升,也促进了生命由单细胞向多细胞发展,逐渐摆脱了微生物的生物种类,进化出更加复杂的生命形态。
直到时间来到距今大约六亿年前的时候,地球发生了一次剧烈的地质活动,这次活动将所有分裂的大陆合并成为一整个超级大陆。同时,伴随着地质活动产生的熔岩将地表剥蚀的硫酸盐带入海洋,使得海水中的微生物与有机质产生反应,制造出了大量的氧气,这些氧气又通过气体交换将氧气交换入大气,让地球无论海洋还是陆地,其氧气含量都在直线上升。从而迎来了地球的第二次大氧化事件。
在历经千百万年的积累之后,这个时期的地球氧气含量甚至增加到了如今的六倍之多,其氧气含量一度高达百分之三十,直接催生了地球生命史上著名的寒武纪生物大爆发。
在这个时期,由于氧气浓度含量直上不下,所有生物都在进行规模空前地进化,高浓度氧气滋长了茂密雄伟,遍野满地的参天古木和蕨类植物;同时,肺部构造简单的节肢动物也在氧气的浸养下发育地极其巨大,成为兴盛一时的地球霸主,老鹰大的蜻蜓和人头大的蜘蛛随处可见。
但同时,地球的氧化事件虽然催生了有氧生物的进化发展,同时也促进了一些不需要依赖氧气的原始生物灭绝。因此,地球上氧气含量的变化,也无疑是决定了有氧生物和厌氧生物的生死存亡。我们不禁可以设想,如果氧气没有暴增,厌氧生物是否会得到更好的进化和发展,随着时间的推移从而演化为另一类不需要氧气生存但类似于人类的高级智慧生物,并创造出无氧文明?
不过,氧气的出现也向我们展现出了有氧生物的巨大可能性,使之极大促进了生命的发展和多样进化,从而形成了如今千姿百态的花花世界。那么,在如今有氧生物占比大多数的地球上,如果氧气忽然暴增,会怎么样?
如果氧气忽然暴增
至少对于人体来说,超出安全范围内的高浓度氧气是会给人带来致命的危险,从而产生氧中毒反应。人类如果待在在半个大气压的纯氧环境之中时间过长,肺部的毛细血管的屏障会被高浓度纯氧撑坏,从而出现肺水肿和肺出血,损坏人的正常呼吸功能,从而导致衰竭窒息而死。就算是在一个大气压的纯氧环境里,人类也最多存活二十四个小时。
如果是在两个大气压的纯氧环境之中,人类也最多能安全停留两个小时,一旦超过这个期限,人类就会出现脑中毒和脑损伤,发生精神错乱甚至失忆。如果再把气压加高一个度,只需要几分钟人就会迅速死亡。
同时,过量吸氧也会导致人体产生损伤,氧气与身体细胞会产生氧化反应,形成一种加速机体和细胞衰老的有害物质,导致心肌功能减退、血管老化、智力下降、老年斑...所以,才有人戏称氧气是一种慢性有毒气体。
因此,我们不难想象,如果地球上的氧气忽然暴增,那么人类的身体机能和生理活动都会发生巨大的变化。首先,从短时间观察,人类的生理循环速度都会莫名加快,无论是排泄速度还是消化速度都会大大增加。但是很快,伴随着过量氧气而产生的剧烈氧化反应会加剧人体机能的衰老,人体疾病的出现概率会大大增加,同时,人类的寿命也会相应缩短。
如果氧气没有增加到会损坏到人类身体机能的地步,那么随着时间的推移演化,人类或许有一定概率会像石炭纪生物那样进化地愈发巨大,以更庞大的体型容量来适应高浓度氧气环境,巨人不再是传说。与此同时,其它生物也会随之增大体型,使之重现寒武纪石炭纪时期的巨大生物情形。
当然,故事也有可能会走向另一种结局:如果氧气增加到将近纯氧的浓度水平,那么人类和大部分不适应纯氧的生物都会很快灭绝,进而,一些能够适应纯氧环境的生物就会被抉择下来,逐渐走向下一轮进化之路...
所以,在地球四十六亿年漫长历史之中,地球氧气含量的高低,也间接地影响着生物的进化和走向,促使了生命的发展进步。而氧气的暴增对于人类来说似乎也并不是一件好事,反而充斥着无限的存亡可能。
所以,我们人类不要妄图影响大自然的生态平衡和生态走向,否则,自然之中小小的一个化学反应都会引起蝴蝶效应般的连锁反应,随着时间的推移,这种连锁反应终究会反噬到人类本身。