光合作用是光介导的反应，它将二氧化碳和水转化为碳水化合物和氧气，为地球上巨大的生物圈提供动力。大约23亿年前，这个反应导致了地球大气层的剧烈氧化。有证据表明释放氧气的光合作用进化得更早——也许早在30亿年前。然而，我们今天认为理所当然的富氧大气只存在于地球45亿年历史的10%左右。为什么大气的氧化作用比释放氧气的光合作用发生得晚那么多？
地球和大气科学学院(EAS)的助理教授Christopher Reinhard说：在地球历史和行星科学领域，这种惊人的滞后现象一直是一个长期的谜。莱因哈德，前东亚峰会博士后研究员Kazumi Ozaki和合作者提出了一个解决这个谜题的方法，在他们发表在《自然通讯》上的研究结果表明，在地球早期的海洋中，释放氧气的光合作用物质无法与原始同类物质有效竞争，现代光合作用剂消耗水并释放氧气。
原始铁离子则消耗溶解的铁离子，而溶解的铁离子在早期地球海洋中本来很丰富，它们产生的锈是副产品，而不是氧气。论文第一作者、现为日本东河大学环境科学系助理教授的尾崎说：利用实验微生物学、基因组学和大规模生物地球化学模型，发现利用铁而非水进行光合作用的细菌在光和营养方面是激烈的竞争对手。它们战胜产氧光合作用物质的能力，是地球全球氧气循环的重要组成部分。
这项研究是莱因哈德研究目标的一部分，目的是了解光合生物圈的进化如何控制地球大气组成。了解重大生物创新的时机及其对地球海洋和大气化学的影响。这些对于理解我们自身的进化起源以及在寻找太阳系之外生命至关重要。研究结果有助于加深对控制地球大气长期演化的生物因素认识，提供了一个更好的机制来理解促进太阳系外类地行星大气氧化因素。这些结果“为建立地球生物地球化学氧循环的理论模型提供了一个全新有利条件。
博科园｜研究/来自：佐治亚理工学院
参考期刊《自然通讯》
DOI: 10.1038/s41467-019-10872-z
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