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2025年6月20日 星期五

岩石紀錄揭開了氧氣的變化歷史

 原文網址:https://artsandsciences.syracuse.edu/earth-sciences-department/news/rock-record-illuminates-oxygen-history

地球歷史上有幾個關鍵時刻,可以讓科學家更加深入地瞭解生物如何適應環境裡物理化學條件的變化,進而幫助他們回答這道問題:「人類如何走到現在這一步?」而這些時刻也闡明了下一個問題:「我們的未來會是什麼樣子?」。其中一個發生在20幾億年前,對演化產生了深遠的影響,稱為「大氧化事件」(Great Oxidation Event,GOE)。它標記了人類以及其他許多生命形式不可或缺的氣體,也就是光合作用產生的氧氣首次在大氣中累積到一定程度的時間。

研究團隊從南非採來進行這項研究的沉積岩。圖片來源:Benjamin Uveges

2020年12月23日 星期三

冰河期的起因是什麼?微小的海洋生物化石提供了關鍵證據

 原文網址:https://www.princeton.edu/news/2020/12/10/what-caused-ice-ages-tiny-ocean-fossils-offer-key-evidence

Liz Fuller-Wright

地球最近數百萬年的歷史當中,有項特徵是頻繁的「冰期―間冰期」循環。這些極為劇烈的氣候動盪,造成涵蓋大片陸地的巨大冰層擴張或是縮減。引發這些循環的原因是地球公轉軌道以及自轉方式的微小振盪,但是軌道振盪的幅度卻太微小而難以解釋氣候的巨大變化。

本研究的樣品中最主要的矽藻種類Fragilariopsis kerguelensis活著的時候(左)以及變成化石之後(右)的圖片。圖片來源:左邊為Philipp Assmy (挪威極地研究所) and Marina Montresor (安東督宏動物研究站);右邊為Michael Kloster(阿爾弗雷德·魏格納研究所)

2018年10月4日 星期四

130歲的腦珊瑚對大洋的狀況提供了好消息


130歲的腦珊瑚對大洋的狀況提供了好消息
Catherine Zandonella
氮肥流到水體之後可能會對沿岸的海洋生物造成致命的後果,不過氮汙染對離陸地相當遙遠的大洋會造成什麼影響?
由普林斯頓大學進行的研究發現美國東岸大洋區的氮汙染比先去預估的還要輕微。研究人員測量這顆活的腦珊瑚(Diploria labyrinthiformis)的碳酸鈣骨骼中含有多少氮。圖片來源:研究人員

2018年8月1日 星期三

碳的「外洩」或許使地球11000年來處於溫暖的狀態,因而助長了人類文明誕生


碳的「外洩」或許使地球11000年來處於溫暖的狀態,因而助長了人類文明誕生
Liz Fuller-Wright
從數十年至數千年的時間尺度來看,海洋在儲存大氣二氧化碳這方面是最重要的地方。一組國際研究團隊發表的結果指出,海洋封存溫室氣體的作用會因為南大洋的活動而有所減弱,因此南大洋活動增加可以解釋過去11000年來,地球為何能神奇地一直保持在溫暖狀態。
普林斯頓大學Sigman實驗室的研究人員從化石中取出微量的氮,以建立南大洋的活動在全新世期間(大約始於距今11000年前)如何演變的模型。他們研究的化石包括圖片中的三種:左起為泡抱球蟲(Globigerina bulloides),為一種浮游有孔蟲、一種圓心矽藻、Desmophyllum dianthus,為一種深海珊瑚。圖片來源(從左至右):馬克斯普朗克化學研究所的Ralf Schiebel、馬克斯普朗克化學研究所的Anja Studer、美國地質調查局的Dann Blackwood。

2018年7月12日 星期四

在大氧化事件獲得的成功以前,早期地球的氧氣濃度曾數度上升卻又下降


在大氧化事件獲得的成功以前,早期地球的氧氣濃度曾數度上升卻又下降
Peter Kelley
在距今大約24億年前發生的大氧化事件(Great Oxidation Event)成功讓整個地球全面氧化,而由華盛頓大學進行的新研究顯示在此之前的數億年間,地球的氧氣濃度曾經提升卻又下跌不只一次。
西澳的Jeerinah組地層,由華盛頓大學領導的團隊在此發現氮同位素有突然的轉變。主要作者Matt Koehler表示:「氮同位素訴說了一段關於海洋表層氧化的故事。這段含有氧氣的時期持續時間不超過5000萬年,範圍則涵蓋了一座寬達數百公里的洋盆。」圖片來源:Roger Buick
一項新研究提出的證據指出地球在非常久遠以前有些微氧氣存在於大氣與廣大的海洋表層。這是第二筆且年代更加古老的證據顯示這種情形曾經發生,表示地球的氧化是在漫長歲月中不斷嘗試卻又失敗的複雜過程。
這項發現對於尋找地球以外的生命也有所啟發。在未來數年我們將會迎來更加有力的地面與太空望遠鏡,它們具備可以分析遙遠行星大氣的能力。這項成果有助於天文學家在利用望遠鏡尋找地外生命時避免剔除掉太多呈現「偽陰性」的行星――也就是適合生物居住的行星因為氧氣濃度低到無法被偵測,使得第一眼看來可能不適合生物居住。
論文主要作者,華盛頓大學地球和太空科學系的博士生Matt Koehler表示:「直到大氧化事件之前,氧氣在海洋和大氣中的生成與消滅是一場長期抗戰,沒有明確跡象顯示最後誰能獲勝。」這篇新論文刊登於7月9日當周的《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)。
「這些短暫的氧化事件是在整場戰爭中,當平衡傾向對氧化較為有利時所出現的戰役結果。」
論文共同作者,華盛頓大學地球和太空科學系的教授Roger Buick在2007年參與的國際科學團隊找到的證據顯示,約莫在大氧化事件發生的5億至10億年前,曾經有段時期地球上存在著些微氧氣。當時他們鑽探至澳洲西部麥克雷山頁岩層的沉積岩深處,並分析樣本中的稀有金屬鉬和錸――這兩種金屬的沉積取決於環境中的氧氣――而得到該結論。
由Koehler領導的團隊現在證明了地球過去還有另一段氧氣曾經短暫出現的時期,它比前次發現還早了大約1.5億年,也就是距今26.6億年前左右,而持續時間則不超過5000萬年。在這項研究中他們利用了可以指示氧氣的兩種不同指標:氮同位素和硒元素。同樣地,這兩種物質能用各自的方式指出氧氣曾經存在。
「我們在這篇論文中以高解析度的方法偵測出另一次有些微氧氣出現的短暫時期,」Koehler表示。「氮同位素訴說了一段關於海洋表層氧化的故事。這段含有氧氣的時期持續時間不超過5000萬年,範圍則涵蓋了一座寬達數百公里的洋盆。」
團隊分析的樣品為2012年Buick在西澳西北部另一處稱為Jeerinah組的地層所鑽探出來的樣品。
研究人員鑽取的兩個岩芯位置雖然相隔了大約300公里,但還是位於同一個沉積岩層。其中一組岩芯樣品為沉積在淺水的沉積物,另一組則是沉積在深水的沉積物。Buick表示分析這兩組連續堆積的岩層可以看出氮同位素逐漸發生變化,然後又回歸平淡。「它所代表的意義只能用環境裡出現了氧氣來解釋。它的出現實在令人感到訝異,而又如此突然。」
氮同位素可以顯示出某些海洋微生物的活動,像是利用氧氣形成硝酸鹽的微生物,以及其他利用這些硝酸鹽產生能量的微生物。從氮同位素得出的數據顯示了海洋表層的狀況,另一方面硒含量則指出古代地球的空氣中有氧氣存在。Koehler表示當時深海可能處於缺氧狀態。
團隊發現只有淺海鑽井中的樣品有大量的硒,意謂著硒來自於附近的陸地且並未到達深海。陸地上的硒存在於含硫礦物中。當大氣裡的氧濃度升高,氧化造成的風化作用(Buick表示:「也就是岩石生鏽」)會讓更多硒從陸地淋溶出來而輸送到海洋當中。
「然後硒會累積在海洋在沉積物裡面,」Koehler表示。「因此當我們在海洋沉積物中測量到硒的含量出現高峰時,就代表大氣中的氧氣有短暫增加的現象。」
Buick和Koehler表示這項發現也能用於偵測太陽系以外的行星之上是否有生命。
Buick表示:「一般認為氧氣是大氣中最明顯的生物跡象(biosignature),但這項研究證明了行星的氧氣變成永久存在的過程中,可能會有幾個時期地表環境會有氧氣,但僅持續數百萬年之後就再次滑落成無氧狀態。」
「因此,如果無法在一顆行星的大氣層中偵測到氧氣,也不代表它不適合生命居住,甚至是缺乏行光合作用的生命。可能只是因為它的氧氣來源還不夠多,只能在短時間之內壓過消耗氧氣的因子而無法延長更久。」
「換句話說,缺乏氧氣在偵測生物時很容易就呈現「偽陰性」。」
Koehler補充:「你可能會看著一顆行星而找不到一丁點氧氣――但它實際上可能充滿了微生物。」

Oxygen levels on early Earth rose and fell several times before the successful Great Oxidation Event
Earth’s oxygen levels rose and fell more than once hundreds of millions of years before the planetwide success of the Great Oxidation Event about 2.4 billion years ago, new research from the University of Washington shows.
The evidence comes from a new study that indicates a second and much earlier “whiff” of oxygen in Earth’s distant past — in the atmosphere and on the surface of a large stretch of ocean — showing that the oxygenation of the Earth was a complex process of repeated trying and failing over a vast stretch of time.
The finding also may have implications in the search for life beyond Earth. Coming years will bring powerful new ground- and space-based telescopes able to analyze the atmospheres of distant planets. This work could help keep astronomers from unduly ruling out “false negatives,” or inhabited planets that may not at first appear to be so due to undetectable oxygen levels.
“The production and destruction of oxygen in the ocean and atmosphere over time was a war with no evidence of a clear winner, until the Great Oxidation Event,” said Matt Koehler, a UW doctoral student in Earth and space sciences and lead author of a new paper published the week of July 9 in the Proceedings of the National Academy of Sciences.
“These transient oxygenation events were battles in the war, when the balance tipped more in favor of oxygenation.”
In 2007, co-author Roger Buick, UW professor of Earth and space sciences, was part of an international team of scientists that found evidence of an episode — a “whiff” — of oxygen some 50 million to 100 million years before the Great Oxidation Event. This they learned by drilling deep into sedimentary rock of the Mount McRae Shale in Western Australia and analyzing the samples for the trace metals molybdenum and rhenium, accumulation of which is dependent on oxygen in the environment.
Now, a team led by Koehler has confirmed a second such appearance of oxygen in Earth’s past, this time roughly 150 million years earlier — or about 2.66 billion years ago — and lasting for less than 50 million years. For this work they used two different proxies for oxygen — nitrogen isotopes and the element selenium — substances that, each in its way, also tell of the presence of oxygen.
“What we have in this paper is another detection, at high resolution, of a transient whiff of oxygen,” said Koehler. “Nitrogen isotopes tell a story about oxygenation of the surface ocean, and this oxygenation spans hundreds of kilometers across a marine basin and lasts for somewhere less than 50 million years.”
The team analyzed drill samples taken by Buick in 2012 at another site in the northwestern part of Western Australia called the Jeerinah Formation.
The researchers drilled two cores about 300 kilometers apart but through the same sedimentary rocks — one core samples sediments deposited in shallower waters, and the other samples sediments from deeper waters. Analyzing successive layers in the rocks years shows, Buick said, a “stepwise” change in nitrogen isotopes “and then back again to zero. This can only be interpreted as meaning that there is oxygen in the environment. It’s really cool — and it’s sudden.”
The nitrogen isotopes reveal the activity of certain marine microorganisms that use oxygen to form nitrate, and other microorganisms that use this nitrate for energy. The data collected from nitrogen isotopes sample the surface of the ocean, while selenium suggests oxygen in the air of ancient Earth. Koehler said the deep ocean was likely anoxic, or without oxygen, at the time.
The team found plentiful selenium in the shallow hole only, meaning that it came from the nearby land, not making it to deeper water. Selenium is held in sulfur minerals on land; higher atmospheric oxygen would cause more selenium to be leached from the land through oxidative weathering — “the rusting of rocks,” Buick said — and transported to sea.
“That selenium then accumulates in ocean sediments,” Koehler said. “So when we measure a spike in selenium abundances in ocean sediments, it could mean there was a temporary increase in atmospheric oxygen.”
The finding, Buick and Koehler said, also has relevance for detecting life on exoplanets, or those beyond the solar system.
“One of the strongest atmospheric biosignatures is thought to be oxygen, but this study confirms that during a planet’s transition to becoming permanently oxygenated, its surface environments may be oxic for intervals of only a few million years and then slip back into anoxia,” Buick said.
“So, if you fail to detect oxygen in a planet’s atmosphere, that doesn’t mean that the planet is uninhabited or even that it lacks photosynthetic life. Merely that it hasn’t built up enough sources of oxygen to overwhelm the ‘sinks’ for any longer than a short interval.
“In other words, lack of oxygen can easily be a ‘false negative’ for life.”
Koehler added: “You could be looking at a planet and not see any oxygen — but it could be teeming with microbial life.”
原始論文:Matthew C. Koehler, Roger Buick, Michael A. Kipp, Eva E. Stüeken, Jonathan Zaloumis. Transient surface ocean oxygenation recorded in the ∼2.66-Ga Jeerinah Formation, Australia. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018; 201720820 DOI: 10.1073/pnas.1720820115
引用自:University of Washington. "Oxygen levels on early Earth rose, fell several times before great oxidation even."