如果要評(píng)選世界上影響人類最深遠(yuǎn)的金屬，我覺(jué)得我會(huì)投鐵一票。從大約4500年開(kāi)始，世界不同地區(qū)相繼進(jìn)入鐵器時(shí)代，鐵的使用幾乎伴隨了我們所有耳熟能詳?shù)臍v史大事件，一直到近現(xiàn)代人類進(jìn)入蒸汽時(shí)代、信息時(shí)代，科技發(fā)生了巨大進(jìn)步，唯一不變的就是我們主要使用的金屬資源依然是鐵。但是，有趣的是，目前全球鐵礦產(chǎn)量的90%其實(shí)都來(lái)自于微生物們的饋贈(zèng)[1]。
全球正在生產(chǎn)中的鐵礦，90%都與微生物活動(dòng)有關(guān)圖/Mining Journal
我們?cè)谏弦黄恼轮姓f(shuō)過(guò)，有一些科學(xué)家們認(rèn)為，大約在35億年前，有一些微生物演化出來(lái)一種獨(dú)特的能力：產(chǎn)氧光合作用。這種能力讓這群微生物能夠吃進(jìn)去水和二氧化碳，在陽(yáng)光的照射下產(chǎn)生有機(jī)物并排出氧氣。在這些微生物中，很可能存在藍(lán)細(xì)菌的祖先，這就是故事的開(kāi)始。
35億年前的海洋和天空與現(xiàn)在極不一樣。首先是缺氧，極度缺氧，這導(dǎo)致了海洋和天空中存在著很多還原性的物質(zhì)，比如在海水中大量漂浮著的二價(jià)鐵離子（Fe2+），這使得當(dāng)時(shí)的海洋可能是發(fā)綠的。
這是綠色的硫酸亞鐵溶液，35億年前的海水顏色可能與之相似圖/
其次就是酸，無(wú)論是在陸地還是海底，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)都正在經(jīng)歷大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的火山噴發(fā)和海底熱液的噴發(fā)，這帶來(lái)了大量的酸性、還原性物質(zhì)，比如二氧化硫，這讓當(dāng)時(shí)的海水是酸的，酸性可能在3左右[2]，我們今天是沒(méi)機(jī)會(huì)嘗一下35億年前海水的滋味了，不過(guò)大家可以試著喝一口醋或者是吃一口酸蘋果，它們的PH值也在3左右。
最后就是危險(xiǎn)，對(duì)生命極度危險(xiǎn)。沒(méi)有氧氣的地球，也就意味著沒(méi)有臭氧層，而臭氧層是吸收紫外線的一把好手，沒(méi)有臭氧層的原始地球，等于完全暴露在了紫外線的面前。還記得大家常用紫外線滅菌燈嗎？這是因?yàn)樽贤饩€是一種高能射線，能夠輕易破壞RNA和DNA的結(jié)構(gòu)，快速殺死生命。35億年前的生命，和我們現(xiàn)在要?dú)⒌募?xì)菌沒(méi)啥區(qū)別，甚至還要弱小不少，因此那時(shí)候的地球表面對(duì)于生命來(lái)講就是絕境，生命們不得不依靠厚厚的海水才能夠保護(hù)自己。
不過(guò)，地球這種對(duì)生命極度不友好的情況在藍(lán)細(xì)菌的祖先們出現(xiàn)后逐步得到了改善。
這些小小的微生物們最初可能只是聚集在海洋中的少數(shù)地方生活，它們?cè)谶@些地方進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生的氧氣隨后逸散到周邊的海水和空氣中，它們的這種聚集區(qū)就好像是沙漠中的綠洲一樣，只有在聚集區(qū)周邊才有比較充足的氧氣，離聚集區(qū)越遠(yuǎn)，氧氣越稀薄，科學(xué)家們把這種狀態(tài)稱為“氧氣綠洲”[3]。
在這些氧氣綠洲附近，海水中開(kāi)始溶解大量的氧氣，這些氧氣迅速與飄蕩著的二價(jià)鐵離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，把這些鐵變成三氧化二鐵（赤鐵礦）或者是四氧化三鐵（磁鐵礦），這些被氧化的鐵快速沉淀到海底，形成了條帶狀的巖石，這些含有鐵的條帶狀巖石被稱為條帶狀含鐵建造（Banded Iron Formation，簡(jiǎn)稱BIF）。
條帶狀鐵建造細(xì)節(jié)圖圖/Flickr
公路邊的條帶狀鐵建造 圖/Matthew Genge
有證據(jù)表明，至少在27億年前，這些微生物就演化成了藍(lán)細(xì)菌，并一直演化到現(xiàn)在，因?yàn)樗{(lán)細(xì)菌們經(jīng)常聚集在一起成為絲狀，生物學(xué)家們最開(kāi)始把它們誤認(rèn)為是藻類，所以給它命名為藍(lán)藻。不過(guò)現(xiàn)代科學(xué)家們已經(jīng)搞清楚了，它們其實(shí)還是一些單細(xì)胞的細(xì)菌，只不過(guò)它們喜歡聚集在一起生活，這些聚集體形態(tài)多種多樣，絲狀、團(tuán)狀都有。
單細(xì)胞的藍(lán)藻經(jīng)常聚集成絲狀生活，讓它們看起來(lái)像藻類，但是實(shí)際上它們只是細(xì)菌圖/ Shomu's Biology
藍(lán)細(xì)菌有更強(qiáng)大的繁殖能力和生存能力，從它們出現(xiàn)以后，很快占領(lǐng)了所有適宜生存的海洋。藍(lán)藻在全球海洋中的大量繁殖，讓整個(gè)海洋中的二價(jià)鐵離子都被氧化成為磁鐵礦或者是赤鐵礦沉淀到海底，這些沉淀到海底的鐵如今形成了遍布全球的鐵礦資源。這類鐵礦資源占世界上富鐵礦儲(chǔ)量的60-70%，占全球鐵礦產(chǎn)量的90%以上，而在中國(guó)，這類鐵礦的探明儲(chǔ)量占全國(guó)鐵礦總儲(chǔ)量的比例超過(guò)50%[1]
（PS：鐵礦并不全部是與生命活動(dòng)有關(guān)的，很多鐵礦是由火山活動(dòng)形成的，只不過(guò)微生物活動(dòng)造就的鐵礦最廣泛，鐵礦品味也最高）
從35-25億年間，海水中的溶氧量處于緩慢增加的狀態(tài)，海水中的溶氧量與鐵離子的沉淀量是成正比的，溶氧量越大，沉淀的鐵離子就越多，因此鐵礦石的品味就越高，科學(xué)家們通過(guò)分析不同時(shí)代的含鐵建造中的鐵礦品味，發(fā)現(xiàn)鐵礦的品味在25億年前到達(dá)頂峰。
鐵建造的時(shí)間與鐵礦品味的關(guān)系圖[1]，注意鐵品味最高的澳大利亞、巴西、南非都是鐵礦大國(guó)，25億年后鐵礦品味直線下降，這說(shuō)明海水中的鐵已經(jīng)被氧化完了
海水中的鐵離子是一道屏障，它們與氧氣的化學(xué)反應(yīng)阻止了氧氣向空氣中擴(kuò)散。但是在大約25億年前，海洋中的鐵離子逐漸消失，再也沒(méi)有什么能夠阻擋氧氣進(jìn)入大氣中了，從這時(shí)開(kāi)始，地球大氣中的氧氣含量開(kāi)始增加起來(lái)。
地球從形成之后大氣中氧氣含量的變化情況圖，PAL是過(guò)去氧氣含量相對(duì)現(xiàn)代含量的百分比[4]
有些地質(zhì)學(xué)家估計(jì)從25億年開(kāi)始，一直到20億年結(jié)束，在這期間地球上的氧氣含量大幅增加，一度增加到達(dá)到如今氧氣含量50%的水平或者更高，甚至可能達(dá)到了跟如今氧氣含量相當(dāng)?shù)乃?，他們給這一事件起了一個(gè)名字，叫做大氧化事件。
光合作用造就了大量的鐵礦，同時(shí)也讓地球空氣中的氧氣增加 圖/American Museum of Natural History,有修改
大氧化事件對(duì)于地球來(lái)講無(wú)疑是意義極為重大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此地質(zhì)學(xué)家們也把大氧化事件的開(kāi)始作為地球新的紀(jì)元的開(kāi)始——元古宙到來(lái)了，區(qū)別于以往地球上死氣沉沉不適合生存的面貌，從元古宙開(kāi)始地球上開(kāi)始逐漸熱鬧起來(lái)了。
這一切都是以藍(lán)藻為主的光合作用細(xì)菌所賜——光合作用產(chǎn)生的氧氣在進(jìn)入大氣后先是讓原始的地球大氣從還原狀態(tài)變成了如今的氧化狀態(tài)，隨后在紫外線的照射下形成臭氧，大量的臭氧匯聚在地球平流層的頂端形成臭氧層，臭氧層的出現(xiàn)阻擋了大量直射在地表的紫外線，從此以后，生命們?cè)僖膊恍枰Ｋ谋Ｗo(hù)，它們?cè)诮?jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)備之后，開(kāi)始登陸地表，把地球打扮的生機(jī)盎然。不過(guò)這都是很久以后的事情了，我們?cè)诤竺娴奈恼轮袝?huì)慢慢講到。
如果把地球歷史看成是12小時(shí)，這一事件發(fā)生在地球形成后5小時(shí)24分鐘左右
參考文獻(xiàn)
[1]王長(zhǎng)樂(lè),張連昌,劉利,代堰锫.國(guó)外前寒武紀(jì)鐵建造的研究進(jìn)展與有待深入探討的問(wèn)題[J].礦床地質(zhì),2012,31(06):1311-1325.
[2]李延河,侯可軍,萬(wàn)德芳,張?jiān)鼋?樂(lè)國(guó)良.前寒武紀(jì)條帶狀硅鐵建造的形成機(jī)制與地球早期的大氣和海洋[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2010,84(09):1359-1373.
[3]梅冥相,孟慶芬.太古宙氧氣綠洲:地球早期古地理重塑的重要線索[J].古地理學(xué)報(bào),2015,17(06):719-734.
[4]D.E. Canfield.THE EARLYHISTORY OF ATMOSPHERIC OXYGEN: Homage to Robert M. Garrels[J].Annual Review ofEarth and Planetary Sciences,2005,33:1-36.
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