以前地球的氧气是怎么来的（我们地球是什么时候有氧气的）

今天我们对氧气的存在应该是司空见惯的了。然而，如果我们把时钟回拨到几十亿年前，到生命刚刚在地球上立足的时代，我们会发现那个时候地球上根本没有氧气。此时地球上大气中最主要的成分是甲烷，二氧化碳等气体。

富含甲烷的土卫六的情况很类似原始地球（图源：pic1.zhimg.com)

氧是在衰老恒星的演化过程中在恒星核心通过核聚变合成的。所以实际氧在宇宙中相对而言还是比较丰富的，仅次于氢和氦。但是因为氧特别容易和其它元素发生化学反应，所绝大部分氧都是与其它元素形成某种化合物。这种化合物称为氧化物，其中最常见的就是水，因为它是由宇宙中含量排名第一（氢）和第三（氧）的元素所形成的。可以想象，当地球形成后，它的表面应该有大量的水，也就是说形成了浩瀚的海洋。

但是，到此时为止，地球是没有氧气存在的。可想而知，地球上第一批进化出来的生物都是从来没有见到过氧气的生物。它们通过无氧呼吸来获得能量，同时利用化学能来合成它们身体所需要的有机物。其中一个可以被利用的化学能来自于海底火山口。这样的海底火山口今天也同样存在。当代科学家们发现，火山口不仅为其周围的厌氧微生物提供了可用的化学能，而且还在这些微生物的基础上支持了一个包括虾，贝壳，管虫等各种生物的生机勃的生态系统。所以，可以想象在远古时代，海底火山口附近维持一个包含各种微生物的生态系统是完全可行的。

海底火山口（图源：img1.gtime.com)

但是，在地球表面上，最普遍的能源实际是太阳能。所谓的光合作用实际上就是利用太阳能来设法把二氧化碳转变成有机物。但是，要成功的完成光合作用，细胞需要一个电子供体。这是什么意思？实际上，所谓的把二氧化碳转变为有机物就是得设法还原二氧化碳，也就是给二氧化碳提供电子。我们可以把细胞中进行光合作用的叶绿素视作为一个"泵站"，它利用太阳光能提供的能量（类似于抽水泵利用电作为能量），从某一个电子供体中抽取电子提供给二氧化碳。这个电子供体可以是硫化氢中的硫原子。不过，在约 30 亿年前，蓝细菌（或者称为蓝藻）"发明"了利用水作为电子供体支持光合作用的"技术"。也就是说，蓝细菌利用光能，把水中的氧原子中的电子夺走最后传递给了二氧化碳。但是这一过程必然同时伴随着水被不断的裂解并释放出氧气。所以，可想而知，随着蓝细菌的生长，氧气就会被源源不断的释放出来。

裂解水产生的电子最后被传递到NADPH上，而后者则用来还原二氧化碳从而合成有机物（图源：pic3.zhimg.com)

一开始，这些氧气一被释放就会消耗掉。它可以与地球上当时还普遍存在的还原性的物质（比如氢气，铁等）进行反应，从而又回到了某种化合物的形态。但是当这些"缓冲物质"被耗尽后，氧气就会逐渐的在地球大气中积累。于是地球的大气中第一次出现了一定浓度的氧气。这段时期被称为"大氧化"时代，发生在距今约 18-24 亿年前。大氧化对于大部分旧的生物而言是灭顶之灾。对于这些生物而言，它们从来没有见到氧气，当然也不会利用氧气。因此，对它们而言，氧气是有毒的。因为氧气可以与细胞内的各种生物分子发生反应，从而破坏细胞的正常功能。所以，"大氧化"必然伴随着"大灭绝"。但是氧气浓度的上升又同时给了地球的生命体指出了一条新的进化道路。因为如果某种生物能利用氧气来氧化有机物，那么它们可以得到更多的能量。因此能够使用氧气的生物将会有很大的优势，它们的后代将会逐渐在生物圈中占据统治地位并且深刻的影响进化历程。

有机物的电子最终被传递给氧气（蓝色箭头），从而完成有氧呼吸（图源：gss0.baidu.com)baidu.com)

利用氧气来氧化有机物获得能量的这一活动称为有氧呼吸。在细胞内，这一过程和光合作用刚好相反。也就是说，有机物通过化学反应从而贡献出它们的电子。然后，细胞在它的膜上有一系列的蛋白质机器，这些机器可以把电子最后传递给氧气，使氧气中的氧原子得到电子后最后形成了水。对于细菌而言，这个过程发生在细菌的细胞膜上。然而，更加复杂的生物，比如动物，植物等，它们的细胞和细菌不同。事实上，这些生物的细胞在漫长的进化历史中"并购"了细菌，使细菌成为了它们细胞内的一个部门，即线粒体。所以对于这些生物而言，有氧呼吸发生在线粒体的膜上。至于这个"并购"是怎么完成的，我们将在下一讲讨论。