科学家揭示地球早期生命形式与环境在5亿年间的相互作用

过去5 亿多年里，大气、海洋和地球上的生命相互作用，改善了早期生物的生存条件。现在，一个跨学科的科学家团队撰写了一篇关于这一共同进化历史的前瞻性文章，发表在多学科开放获取期刊《国家科学评论》(牛津大学出版社，影响因子 20.7)上。

“我们的任务之一是总结过去 5 亿年中有关大气和海洋中二氧化碳和氧气的最重要发现，”文理学院 Thonis 家族教授、低温地球化学和地球系统演化、论文第一作者Zunli Lu说道。“我们回顾了这些物理变化如何影响海洋生命的演化。但这是双向的。生命的演化也影响了化学环境。了解如何在长期尺度上构建一个宜居地球并非易事”

来自雪城大学、牛津大学和斯坦福大学的团队探索了包括植物和动物在内的古代生命形式与当前显生宙(约 5.4 亿年前开始)的化学环境之间复杂的反馈。

显生宙初期，大气中的二氧化碳含量很高，氧气含量很低。这种情况对于许多现代生物来说很难生存。但海洋藻类改变了这一现状。它们从大气中吸收二氧化碳，将其锁在有机物中，并通过光合作用产生氧气。

动物在海洋环境中生存的能力受到氧气水平的影响。卢正在利用地球化学指标和模型模拟研究显生宙海洋氧气水平可能在何时何地上升或下降。合著者、斯坦福大学地球与行星科学教授乔纳森·佩恩将古代动物的估计代谢需求与化石记录中它生存或消失的地方进行了比较。

随着光合藻类将大气中的碳转移到沉积岩中以降低二氧化碳含量并提高氧气含量，藻类的酶在固定碳方面的效率降低。因此，藻类必须找到更复杂的方法在较低二氧化碳含量和较高氧气含量下进行光合作用。它通过创建内部隔间来控制化学反应，从而实现这一目标。

“对于藻类来说，环境中 O2/CO2 比例的变化似乎是提高光合作用效率的关键，”论文合著者、牛津大学地质学教授罗莎琳德·里卡比 (Rosalind Rickaby)表示。“真正有趣的是，光合作用效率的提高可能扩大了许多生命形式的化学宜居范围。”

卢指出，古代的光合作用者必须适应他们自己创造的物理环境的变化。“显生宙历史的第一部分是生命宜居性的提高，第二部分是适应。”

如果科学家想要进一步了解生命与物理环境之间的相互作用，以及宜居性的驱动因素和限制因素，作者建议，绘制出海洋氧气的空间模式、光合作用的生物标志物和化石记录中显示的动物代谢耐受性将是未来的一个关键研究方向。