科學家揭示，在中元古代，地球處于缺氧狀態

地球供氧的歷史是一個漫長而復雜的過程。在接近當前氧水平（PAL）之前，早元古代（大氧化事件，2.45-2.2 Ga）和晚元古代（新元古代氧化事件，0.63-0.54 Ga）的大氣氧含量經歷了兩個階段的增加。在這個過程中，早期生命完成了從原核生物到真核生物再到動物的高級進化。長期以來，研究一直關注地球表觀遺傳環境與生命進化之間的內在因果關系。

地球的“中世紀”（中元古代，也稱為無聊的十億年）見證了真核生物化石的發現，也是真核生物分化和原始動物出現的前夜。一些科學家使用海洋碳酸鹽巖或頁巖中氧化還原敏感微量元素（如Cr和Ce）的含量或同位素來討論平均元古代的大氣氧含量，但不同指標甚至同一指標得出的結果大相徑庭。大氣氧分壓（pO2）的變化范圍可以在<0.1%PAL至10%PAL之間，這對表基因氧化狀態與真核生物進化之間的遺傳關系有重要影響。究其原因，要么是某些指標的氧化動力學機制和分餾機制不清楚，要么是后期成巖作用、風化作用和其他變化的影響導致元素和同位素分餾異常。因此，迫切需要尋找新的地球化學指標和良好的研究對象。

作為前傘紀最廣泛的富鐵海洋化學沉積巖，鐵組（IF）是地質演化與古環境耦合的產物。因此，IF研究可以為討論早期地球的構造演化、古海洋的化學成分和氧化還原狀態以及生命跡象的重要性提供重要信息。與碳酸鹽巖和板巖相比，IF在中元古代具有較小的沉積規模，但發育了粒狀鐵地層（GIF），淺水中也稱為鐵石，具有鮞粒或豆粒結構（圖1）。IF的形成需要海水中二價鐵離子的氧化，將其轉化為鐵沉淀，這通常與鐵同位素的分餾有關。

具體的分級機制由氧化程度和速率控制。與其他巖石和液體相比，IF富含鐵，因此其鐵同位素組成不易受到沉積期間（碎屑污染）和沉積后成巖作用或變質變化的影響。此外，與其他微量元素同位素系統相比，對鐵同位素系統和分餾機制進行了更詳細的研究。考慮到水-氣平衡的經典原理以及真核生物，特別是需氧生物，經常繁殖或棲息在表層海水中的事實，GIF的鐵同位素組成可以提供獨特和重要的信息，解釋中間蛋白質帶中淺水和大氣含氧量與真核生物分化之間的因果關系。

在此背景下，中國科學院地質與地球物理研究所礦產資源研究所重點實驗室副研究員王長樂、加拿大麥吉爾大學博士后Maxwell Lechte、美國耶魯大學副教授Noah Planavsky、Christopher Reinhard、，美國佐治亞理工學院副教授等共同合作，在中晚元古代和顯生宙選擇了幾個GIF，以進行詳細的巖相學研究。基于地球化學和鐵同位素的分析，使用鐵氧化模型定量估計了海洋和大氣中的氧含量。

為了量化鐵的氧化程度，與之前的轉移沉淀模型不同，本研究主要使用瑞利分餾模型，該模型可以解釋中間蛋白質帶GIF中的廣泛鐵同位素值，也可以應用于含氧量高的環境條件。根據不同的分餾系數，中元古代IF具有不同程度的氧化作用。分餾系數越小，氧化程度越低。基于對影響鐵氧化程度的環境因素數據的完整分類以及海水溫度和pH等合適參數的選擇，建立了鐵氧化動力學模型，以估計不同程度鐵氧化所需的水體氧含量。根據氧在水中的溶解度，并考慮到氣水平衡，估算了大氣中的氧含量。模型結果表明，中元古代淺水氧含量低于～5μmol/kg，大氣氧含量低于1%PAL（圖3）。由于在低氧條件下，除了游離氧外，微生物還可以參與水中鐵（II）的氧化，因此模型結果應為氧含量的最大估計值。