氧氣大量出現之前，早期地球因光合作用產生的氣體保持溫暖

黯淡太陽悖論（faint young sun paradox）一直是引起科學家廣泛辯論的主題，也是地球或與地球相似的系外行星的氣候調節，變得長期穩定適合生物生長的重要分歧點。為了找到其中原因，科學家 Chris Reinhard 等人對此進行了一系列研究，研究成果近日發布于科學期刊《Nature Geoscience》。

Reinhard 是 NASA 天體生物學（astrobiology）研究所的類地球（Alternative Earths）研究計劃主持人，這項研究計劃希望能了解地球早期大氣的氧化還原情形，當作尋找系外行星的參考，甚至在日后讓人類得以在其他星球定居。

“黯淡太陽悖論”是指距今大約 30 億年前，當時太陽的能量比現在弱 25%，但地質學證據卻顯示當時的地球比現在還要溫暖的現象。對此，最常見的解釋是當時地球大氣層可能有更高濃度的溫室氣體，但這種解釋又會衍生出兩個大問題，究竟是哪種溫室氣體？又為什么有那么高的含量？不管是地質學、化學或生物學的各類型指標都顯示，不同的原因會導致大氣層氣體組成有差異。

為了解釋這項悖論，了解地球早期的生物型態對當時大氣層的影響，Reinhardt 帶領研究團隊進行一系列研究，研究團隊認為當時生物還沒有演化出足夠產生氧氣的光合作用能力。

研究團隊結合了不同的大氣組成假設所形成的不同生態系統，以全球氧化還原平衡狀態，模擬演化早期比較原始的光合作用過程，在生化以及氣候層面的影響。模擬結果顯示，有兩種類型的生物體能進行不產氧光合作用（Anoxygenic photosynthesis）產生足夠的甲烷，讓當時早期地球的表面溫度就算太陽能量較低也能維持溫暖。其中一類生物能代謝氫氣，另一類能將鐵氧化，同時結合兩種作用，才會產生足夠熱量，在過去氧氣不充足的條件下扮演相當重要的角色。

雖然現在光合作用已是制造氧氣的主要來源，但由于氧氣直到近 20 億年才大量存在于大氣層，而能產生氧氣的光合作用，從什么時候開始出現一直是個未解之謎。20 億年前的地球大氣中游離氧突然大量增加的大氧化事件（Great Oxygenation Event），可能就是由于光合作用開始制造氧氣導致，但也有可能生產氧氣的光合作用更早以前就已出現，只是影響力有限，讓大氣層的氧氣當時仍不充足，到后來才因其他原因增多。如果真實情況比較符合第二種假設，那么大氧化事件的成因就比較可能是因為地殼變動造成。

Reinhardt 及 NASA 之所以對這項問題感興趣，是因為如果第二種情況為真，那么這些資訊就能幫助我們了解早期地球的氧氣循環，了解鐵元素在這些過程中的重要性等，為爭議已久的問題提出新觀點。除此之外，了解地球大氣層氧氣增加的過程以及早期生物對大氣層的影響，也能幫助我們辨認其他星球可能有生物的特征。

• Photosynthesis before oxygen may have kept the early Earth warm
• Effects of primitive photosynthesis on Earth’s early climate system

（首圖來源：pixabay）