一项新的研究追踪了海洋的历史，记录在从南非钻芯中提取的数十亿年历史的沉积物中，该研究提供了证据，表明地球上的氧气出现时间比普遍认同的时间早约 3 亿年。该研究的合著者之一承认他的论文存在争议，但它支持了近年来使用不同方法进行的其他一些分析。
这项新研究于周日在线发表在《自然-地球科学》上，重点关注钻芯地质记录中包含的氮。（《大众科学》是自然出版集团的一部分）。合著者、罗格斯大学的生物地球化学家保罗·法尔科夫斯基表示，氮循环是由生命驱动的，因此它带有重大生物学转变的印记——在这种情况下，是海洋上层水域的细菌通过光合作用产生氧气的能力。
法尔科夫斯基和他在罗格斯大学的同事，海洋地球化学家琳达·戈弗雷发现，海洋沉积物中氮同位素的丰度发生了变化，表明发生了氧化作用。（同位素是同种原子但中子数不同，因此原子量也不同的种类。）这种变化发生在近 27 亿年前，比其他大量证据表明大气中存在氧气的时间早几亿年。（当然，氧气已经以水和其他分子的形式存在——手头的研究涉及所谓的游离氧，或 O2。）
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伍德沃德·费舍尔是加州理工学院的地质生物学家，他参与了同一个钻探项目，但没有为这项新研究做出贡献。他说，产氧光合作用演化的时间是一个悬而未决的问题。“在这个领域，人们在发生时间上存在严重分歧，”费舍尔说。
费舍尔说，研究人员普遍认为，在所谓的“大氧化事件”之后，大约在 24 亿年前，出现了大量的氧气，但其他几项同位素研究也支持了光合作用生物能够在更早的时候，在太古代晚期（大约在 25 亿年前结束）产生氧气的理论。新的研究“并非孤立存在，”他指出。“有几篇不同的论文研究了几种不同的同位素系统或地球化学系统，它们独立地得出了相同的结论。”
氮有两种稳定同位素：氮 14 和较重的氮 15。法尔科夫斯基解释说，它们之间的平衡对氧气的存在非常敏感。法尔科夫斯基说，在氧气含量少的环境中，氮被微生物转化为铵，然后转化为硝酸盐或亚硝酸盐。最后，当生物体消耗硝酸盐和亚硝酸盐时，氮气被释放到大气中。“当你有氧气时……氮的同位素会变得更重，因为你把较轻的同位素吹到大气中，”法尔科夫斯基说。“如果你没有任何氧气，同位素记录就会很轻。”
“当涉及到原子的较重同位素时，原子之间的键更强，”戈弗雷解释说。含有较轻同位素——氮 14——的化合物中，硝酸盐或亚硝酸盐分解产生氮气的过程更容易进行，因此该同位素优先逸出到大气中。另一方面，更多的氮 15 往往会被留下。
“我们发现，在记录中，我们多次获得较重的同位素，比我们获得大氧化事件早数亿年，”法尔科夫斯基说。“所以这意味着海洋中一定存在氧气，但它尚未进入大气层。它在至少 3 亿或 4 亿年的时间里，还没有真正氧化这个世界。”
这种延迟有点奇怪，因为预计光合作用生物会在更短的时间尺度上提高大气氧含量。费舍尔说，根据新的分析，“如果在太古代晚期海洋中存在产氧光合作用，并且基本上没有氧气积累[在大气中]，那么一定发生了我们尚未认识到的非常奇怪的事情。”
费舍尔说，了解氧化作用前的世界的详细化学性质是一项艰巨的任务。他说，一个完全厌氧（无氧）的世界可能涉及与我们在目前富氧环境中看到的同位素效应非常不同的同位素效应。“考虑到我们认为氮循环应该如何运作的所有假设，我们可能正在观察一个实际上非常不同的世界，”他说。
法尔科夫斯基说，对氮循环的依赖使得论文的发表过程充满争议。“我们开发了一种模型，其中氮同位素真正对世界的[氧化和还原反应]变得敏感，”他说。“这是一个新模型，每当你开始使用新范式时，你不可避免地会遇到一些冲突。”