地球大气中的氧气最早是来自于被称为「大氧化事件」的生物地质过程，这在网上的大量科普文章中有大量的描述。微观地说，地球大气中丰富的氧气几乎完全归功于小小的蓝藻数亿年的不懈努力，是它们通过光合作用将氧原子从海洋中提取出来变成氧分子，并持续改善了大气的氧气含量，为后来丰富的需氧生物的繁盛提供了基础。但蓝藻光合作用排出的这些氧气最初又是从哪里来的呢？本文将着重探索一下「大氧化事件」早期的一些细节以及「大氧化事件」的前因。
大氧化事件形成的条带状的铁化合物沉积层
大氧化事件是24亿年前到的21-20亿年前之间地球的大气和浅海经历的一场含氧气量显著上升的全球过程，地质、同位素和化学相关证据表明，是生物作用释放的分子氧在这个时期中开始积聚在地球大气层中，并将地球大气从弱还原性大气变为氧化性大气，这为后来复杂生物的诞生提供了氧化代谢的条件。
大氧化事件的开端
早前的研究认为大氧化事件发生在23亿年前，但对古代火山爆发年代的最新研究（2017）表明氧气水平在24.6亿年至24.66亿年之间就开始急剧上升。而当时大量的火山爆发，地球进入了一个被称为雪球地球的寒冷时期，也将新鲜的岩石倾倒在赤道附近的超大陆上。
实际上，地球最早的产氧微生物可能在30亿年前就出现了。但是，由于不明原因，大气中的氧气浓度直到大氧化事件开始之前仍然非常稀薄，而大氧化事件将氧气水平从接近零的水平提升到了现代水平的0.1％左右。
大氧化事件氧气含量及地质时期对照
然而，确定大氧化事件的开始时间一直很棘手，因为地壳运动使得很少有那么古老的岩石留下来。研究者们研究了南非古老的火山岩，这些岩石与一层只能在氧气存在的条件下形成的矿物相邻。使用早期技术，地质学家之前已经确定这些火山岩大约形成于22.22亿年前，位于大氧化事件开始之后。
但应用现代技术测量岩石中放射性铀的衰变量，研究人员将这些火山形成的时间调整为大约在24.26亿年前，再加上之前发现的另一座约24.6亿年前爆发的火山，它们都显然形成于氧气上升之前。这似乎说明原来对大氧化事件发生时间的推测是不准确的。
大氧化事件并不是唯一发生时间被调整的全球性事件。已知最古老的全球冰川期——“雪球地球”时期，其遗迹就位于前述被发现的南非火山岩石的下方及周边。这使得对火山喷发时间的重新确定也推动了对“雪球地球”事件时间范围的调整，其发生的时间应该与大氧化事件的开始的时间大致重合。研究人员甚至提出，氧气上升和温度下降可能存在着相关性。
雪球地球
新的数据和现有的化学证据表明，大氧化事件期间的氧气水平在高低之间波动过几次，而不是稳步上升（氧气浓度在22.5亿年前稳定下来，并且基本保持不变，直到10亿年后水平再次上升。）这种振荡与雪球地球和火山爆发是同期发生的。
研究人员认为，气候、氧气和火山活动在大氧化期间交织在一起。火山爆发以新鲜的岩石覆盖了超大陆，这些岩石大多散落在在赤道附近，因为强降水使岩石风化，演示从空气中吸收了二氧化碳，并将营养物质冲入海洋。这些营养素滋养了光合微生物，产生了大量的氧气。氧气在大气中积聚并与甲烷反应，因而降低了温室气体的含量。随着二氧化碳和甲烷的减少，气候变暖得到逆转，地球反转冻结，随之导致产氧生物活动减少。但随着时间推移，火山活动再次将二氧化碳排放到大气中，并最终使地球被重新加热，这种过程周而复始地进行了几亿年。
这进一步说明地球大气中氧气的历史应该是像过山车一样起起伏伏而不是单向上升，虽然研究者们尚不确定岩石风化在控制古大气中氧气水平方面的作用。
——这些就是地球初期大气氧气诞生的曲折过程。但大氧化事件并不是地球大气中氧气的最初来源，2019年最新的研究表明：大气中的氧气要归功于
大氧化事件之前整整20亿年的孕育。大氧化事件为什么这么重要？
在大氧化事件之后，大约7亿年前地球也发生过类似的一系列地质事件，导致了地球大气第二次氧气上升，达到了接近现代水平的程度，一些真核生物进化成为了第一批动物。两次氧气上升都将生命推向了更高的复杂性，并导致了人类的最终出现。
由此，大氧化事件的意义不言自明，地球上的绝大多数生物，包括我们人类，都是靠着吸入氧化性的大气来维持我们的能量和物质代谢的。在还原性的大气中，很多有机物都无法被分解并释放出能量，通俗的说就是，在还原性的大气中，你就算有“柴”也很难“生火”。广泛的氧化性（氧化性并非全然指氧气的存在）似乎是地球生命大爆发的前提，但更可能氧化性就是生命诞生的前提。
地球历史上，大气氧气含量与生物进化的关系
氧化性的本质实际上是化学分子获取电子的势能，氧化性越强，获取电子的势能就越强，在捕获电子时通过电子传递的能量就越高。生命的能量驱动完全仰赖于有机分子之间的氧化还原反应，这是应该比较确定的，这在需氧生物能量代谢的核心——烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的还原形式以及氧化形式的循环上体现地淋漓尽致。而对于原始生命来说，还原性的环境降低了电子传递的能力，不利于其生化过程的展开（——愁，满世界都是自由电子，就是没人要啊）。
地幔三价铁的增多为地球提供了一个氧化性的开端
大约45亿年前地球形成后不久，地幔的含氧量变得比原来更高，这使得在大氧化事件发生之前大约20亿年，岩石中的二氧化碳和水等分子就开始泄漏到地球贫氧的大气中，这些泄漏到大气中的含氧小分子化合物成为了启动生命的基础条件，也成为地球大气中氧气的来源。
曾经被岩浆海洋所覆盖的地球
在古地质学界，地幔中发生富氧化学转变的原因一直是个谜。最近（2019.8），新的实验室实验表明，在地球早期的熔岩海洋中与铁有关的化学反应使得地幔的化学平衡倾向于形成富氧化合物。如前面提到的那样，像地球这样的高氧化态环境是一般类地行星宜居性的一个非常重要的因素（那些富含氢气和甲烷的行星的大气基本上都是还原性的）。
地球在其早期的历史中，曾遭受到了大型小行星的猛烈撞击，这可能使得地球上产生了熔岩海洋，这些熔岩海洋可深入地幔数百公里。科学家们怀疑，这种熔岩海洋中的高压迫使含氧的亚铁离子转化为两种不同的含铁物质：一种是富含氧的三价铁化合物，另一种是不含氧的金属铁单质。由于铁单质的高密度在液态状态下会沉入地球的核心，留在地幔的就主要剩下了富含氧的三价铁了。
为了测试这个猜测，德国拜罗伊特大学的地球化学家们在实验室进行了实验。他们模拟了岩浆海洋内600公里深的条件，在将合成地幔材料加热到数千摄氏度的同时，研究人员使用压力高达20吉帕（1吉帕=1000兆帕）的铁砧来挤压熔化的样品——这相当于将埃菲尔铁塔的整个质量放在一个像高尔夫球一样大的物体上。
研究者们在暴露于这些极端条件之前和之后的样品中测量了二价铁和三价铁的含量，发现无论最初在岩石中含有多少铁，在最高压力下，最终产物中96％的铁都是以氧化性更强的三价铁形式存在的。
研究者解释说，这一发现表明，在岩浆海洋深处，三价铁更稳定。在此深度的任何二价铁都容易转化为三价铁以及会沉入核心的金属铁单质。也就是说，一部分铁化合物丢掉了与之结合的氧原子，被还原成了金属铁单质从地幔沉淀到了更深的地核，而多余的氧原子氧化了其它的二价铁使之成为了氧化性更高的三价铁，这个过程提升了整个地幔的氧化性。正是由于地幔的氧化性的提升，导致了地表氧化性的提升以及大量的氧化终产物进入到大气当中，如二氧化碳和水（而不是一氧化碳或氢气）。我们可以猜测，在一个富含二价铁和三价铁的混合黏土的海岸或者河岸边上，地球上的第一个生命诞生了。铁与氧的交媾对于生物的有氧代谢的重要不言而喻，在脊椎动物血红蛋白当中就含有一个处于中心位置的二价铁原子，血红蛋白和类血红蛋白分子在许多无脊椎动物、真菌和植物中也有分布。
研究者们认为这一结果“非常有说服力”，这证明了岩浆海洋中二价铁的化学分解可能有助于提高地球早期地幔中氧气的相对丰度。但他们仁不清楚这种化学过程是否是导致地球早期大气中氧气上升的唯一原因。研究人员可以通过探索早期地球岩石的化学特征以及来自地幔的超深钻石来验证此猜测。
结语
最新研究揭示了在「大氧化事件」之前存在着一个漫长的孕育期，一个为期二十亿年的时期，高氧化性的地幔逐渐地将二氧化碳和水释放到地球大气中是推动「大氧化事件」发生的根本原因。而地幔中铁在高压环境下的戏剧性的“氧化还原反应”是所有这些过程背后的原始推动因素。
