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氧气从何而来

2023-05-30本刊综合

发明与创新·中学生 2023年1期
关键词:蓝细菌产甲烷菌硅藻

本刊综合

地球的大气层是由约78%的氮气、21%的氧气和其他微量氣体组成。上世纪六十年代,科学家发现地球上的氧气并非与生俱来,而是在地球经历了漫长的二十多亿年后才出现的。那么,地球上的氧气是谁制造的?我们每时每刻赖以生存的氧气究竟从何而来?

地球早期的氧环境

有关研究表明,地球早期的大气环境中,存在着较多的二氧化碳和低能量电子。这些二氧化碳分子可以捕获低能电子,而后可能发生两种解离反应,产生碳原子负离子和自由氧原子或氧分子。在特定的能量范围内,两种解离反应可能产生氧分子,且作为反应产物的自由氧原子也可能结合为氧分子。

此外,地球早期的氧气诞生还与产甲烷菌和蓝细菌有关。产甲烷菌是厌氧微生物,以金属镍为食物来源,能制造大量的甲烷。蓝细菌又名蓝藻或蓝绿藻,是最早的太阳能“收割机”,它能借助太阳能,利用二氧化碳和水生成氧气和有机物。

不过,虽然蓝细菌一直在努力地产出氧气,但它们的数量仍不及产甲烷菌的数量,释放的氧气被数量更多的甲烷消耗,使得氧气一出生便“夭折”了。大约在25亿年前,地壳降温,地球上的镍含量急剧减少,产甲烷菌也随之减少,这就使得氧气摆脱了被产甲烷菌大量消耗的命运,在空气中的含量得以大幅提升。

光合作用很重要

自然界很难直接产生氧气,有了生物才有了大量的氧气。地球上的氧气主要来源于植物的光合作用,以及非生物参与的水的光解。光合作用是地球上规模最大、最重要的化学反应,它重塑了地球表面和大气层成分,演化出千姿百态的生命形态。

在地球的氧环境中,有约70%的氧气来源于海洋中藻类,30%来自于陆地植物的光合作用。

蓝藻作为地球上最古老的原核生物之一,在地球大气环境有氧化的进程中起到了十分重要的作用。硅藻是海洋中最常见的浮游生物,小到几微米,大的也不过1~2毫米。这种体型微小、结构精妙的物种,贡献了全球一半左右的氧气,是氧气制造的佼佼者。

从地球整个生态系统角度来看,植物每年的净产氧量足以供应地球上所有微生物和人类化石燃料消耗的氧气。虽然从在整个地球的历史来看,植物对氧气的贡献有限,但植物将地球的大气环境带到了一个相对“富氧”的时期。

延伸阅读

『捕光』能手——硅藻

硅藻作为海洋赤潮的主要“肇事者”,拥有出色的蓝绿光捕获能力和极强的光适应能力。

硅藻生命力顽强,从赤道到两极、从表层海水到百米深海都能找到它的身影。硅藻能迅速适应浅海和深海之间的光线变化,即使在上下起伏、剧烈翻滚的海浪中也能生存。硅藻每年吸收的二氧化碳占地球全部生态系统吸收二氧化碳总量的20%,与热带雨林的贡献率相当。这与硅藻特有的捕光天线蛋白“岩藻黄素-叶绿素a/c蛋白复合体”的功能密切相关。

目前,科学家还在对硅藻的光合膜蛋白结构进行解析,为人工模拟光合作用机理提供更多依据。未来,将有望设计出具有高效捕光和光保护能力的新型作物,为现代化智能植物工厂的发展提供新方向。

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