地球科学原理之三十三 光合生物出现后的氧化-还原平衡

作者：廖永岩 编辑：探矿者

因为地球的原始大气，虽然还原性远比宇宙大气低，但仍是强还原性的环境。所以，最早出现于地球上的光合作用生物，肯定是由厌氧非光合生命体经厌氧光合生物（如硫细菌、光合细菌等）逐渐演化而来，也肯定是厌氧型生命体。最早的光合作用生物出现后，利用光能进行光合作用，将二氧化碳和水合成为有机物。从上面的分析可知，二氧化碳和水是氧化-还原性中性的物质，最终合成了强还原性的有机物，这使整个系统的氧化性降低，还原性增强。为了维持系统的氧化-还原性平衡和稳定，必须释放出强氧化性的物质作为弥补，所以，在光合作用将二氧化碳和水合成有机物的同时，必须释放出氧气等氧化性强的物质。最初出现的能进行光合作用的生物，本身尚没有利用氧气氧化有机物获取能量的能力，即它本身仍是厌氧生物，氧气对它来说仍具有毒性，但它若要通过光合作用，将二氧化碳和水合成为强还原性的有机物，它必须释放出氧气，来补偿氧化还原-平衡。所以，这些生物，可能利用了环境中的一种能将光合作用产生的氧气及时消耗的机制，使光合作用产生的氧气，在生物体内或其周围环境中不会增加和积累，不至于对自己造成危害。如环境中的二价还原性铁，转化为三价的氧化性铁，就有可能消耗大量的氧气（Cloud, 1972; Cloud, 1976）。随着环境中的还原性铁及其它还原性物质逐渐被消耗，环境的氧化性逐渐增高。在这种氧化性逐渐增强的环境里，逐渐演化出能利用氧气氧化有机物获取能量的光合作用生命体。因为氧化有机物所释放的能量，远大于分解有机物所释放出的能量，所以，通过氧化有机物获取能量，肯定是一种高效的生命方式。分解有机物获得能量的光合作用生物慢慢被淘汰，逐渐被演化出的更高级的氧化有机物获取能量的光合作用生物所替代。这类光合作用生物，因为靠氧化有机物获取能量，获取能量的效率大大提高，生命力也得到大大加强。能过光合作用制造氧气的能力，也肯定得到加强。这就使地表大气中的氧气逐渐增加。

地球上的氧气量，是与光合作用合成的有机物成正比的。光合作用合成的有机物越多，制造出的氧气越多。光合作用合成的有机物，最终构成了植物、动物和微生物等一切生物。所以，有机物的量，是一切生物量的总和。因为地表适合生物生存的空间有限，地表生存的生物量也有限。所以，仅从这个层面上来说，由于地表生存的生物量有限，植物不可能通过光合作用无限地合成有机物。这样，植物也不可能无限通过光合作用产生氧气。

但是，研究发现，地表生存的生物量，仅只是地球上生物合成有机物总量的很小一部分，地球上通过光合作用合成的有机物，绝大部分以干酪根等沉积物的方式，被埋入地壳中(Falkowski et al, 2000)。因为地球上已埋藏大量干酪根等沉积有机物(Falkowski et al, 2000)，这说明植物已通过光合作用产生了大量氧气。植物光合作用产生的这些氧气，绝大部分因氧化地球演化早期的还原性环境而被消失掉了，如氧化宇宙大气遗留下的氢和硫化氢成水和二氧化硫；氧化还原性的低价铁、锰等金属成氧化性的高价物（Schlesinger, 1997）等。当地表环境已是氧化型后，变地表还原性环境为氧化性所消耗氧气的能力下降，光合作用产生的部分氧气，逐渐在大气中积累，成为地球现有大气所独有的大气特征。

冰川形成后，地磁场形成，对太阳风的阻挡作用加强，虽然太阳风在逐渐增强，但对地球的影响反倒变得较弱。所以，地球的氢散失逐渐减少或消失，地球整体的氧化-还原性保持稳定。在地表，由于大量的二氧化碳和水通过光合作用合成强还原性的有机物，同时释放出氧气，这本来也应是氧化-还原性平衡的。但是，由于大量的强还原性的有机物因沉积而被埋入地壳中，而氧气则留在了地表。所以，自从光合作用生物出现以来，地球氧化-还原性变化趋势为：由于地表氧气的逐渐积累，氢等轻元素逐渐减少，地表的氧含量逐渐增加（Schlesinger, 1997），氧化性逐渐增强，而地壳的还原性逐渐增强。地壳内，由于冰川的周期性形成，地内保存的宇宙气体，以去气的形式，通过火山喷发和地震，不断排出地表，这样，地壳内的氧化性逐渐增强，还原性不断减弱。由于大量的去气气体，因火山喷发和地震作用，周期性地排入地表大气中，造成氧化性逐渐增强的地表大气，因去气作用而出现氧化-还原性的周期性波动：大量火山喷发和地震时，由于去气作用带来的大量还原性宇宙大气和其它还原性物质的补入，大气还原性增强，氧化性降低。而在火山喷发和地震作用相对较弱的时期，由于植物不停的光合作用和不停的矿物有机物的沉积作用，制造大量的氧气补入大气中，大气的氧化性逐渐增强，还原性逐渐减弱。所以，大气的氧气浓度或氧化性，是呈阶梯性地逐渐上升的，直到目前的程度。

我们通过前面几回的分析知道了地球氧化-还原平衡的过去和现状，那么，根据这种规律变化，地球的氧化-还原平衡，将来会怎么变化呢？这对人类又产生怎样的影响？且听下回分解。

未完，待续。

下回预告：地球科学原理之34  地球将来的氧化-还原平衡

参考文献：

Cloud P. Beginnings of biospheric evolution and their biogeochemical consequences. Paleobiology, 1976, 2: 351-387

Cloud P. Paleoecological significance of banded iron formation. Precambrian iron-formation symposium, Abstracts and Field Guides. 1972: 7-8

Falkowski P et al. The global carbon cycle: A test of our knowledge of earth as a system. Science. 2000, 290: 291-296

Schlesinger W. H. Biogeochemistry; an analysis of global change (2nd edition). San Diego: Academic Press. 1997. 1-588

（注：本“地球科学原理”系列，是根据廖永岩著，海洋出版社（2007年5月）出版的《地球科学原理》一书改编而来，转载者请署明出处，请不要用于商业用途）

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