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史前館電子報第403期　2019.9.15

一條會飛的河──我們賴以生存的氧氣哪裡來？

文‧圖提供／楊小青

　　中文BBC網站於2019年8月23日做了如下報導：「全球最大熱帶雨林，有「地球之肺」稱號的巴西亞馬遜森林正遭遇有紀錄以來最頻繁的火災。巴西國家太空署（INPE）20日指出，今年亞馬遜雨林已發生超過7.2萬起火災，打破歷史紀錄。蔓延的森林大火，成為全球焦點，各國領袖皆表達關注……」

圖1.美國太空總署提供的照片，橘點顯示野火幾乎已遍及整個亞馬遜雨林。(資料來源）

　　巴西農民屢在每年旱季施放野火，這是一種藉由燃燒植物產生的草木灰來肥沃土壤的古老農業技術，這項技術也普遍被南島民族運用。然而火耕產生的耕地在缺乏植被的保護下，將因雨水的淋餘作用變得更加貧瘠。對於人口增長迅速的現代社會而言，火耕並非是土地永續利用的發展模式，況且亞馬遜森林的大火還有礦業開採的龐大利益在背後推波助瀾，使得亞馬遜熱帶雨林火災的數量屢創歷史新高。「地球之肺著火了」讓環保團體急得跳腳，無法管制的野火甚至成為今年七大工業集團G7高峰會的首要議題。

圖2.近七年來亞馬遜森林大火次數。(資料來源）

　　亞馬遜森林每天製造的氧氣，是全世界人類需求的20倍，大面積的森林大火是否造成地球大氣層氧氣含量的比率降低？讓遠在地球另一面的你我產生呼吸困難的窘境？答案看來是否定的。事實上地球近5千萬年來大氣層的氧氣含量穩定地維持在20.95%，並不因地球進入暖期或者冰期而有改變。那麼地球的大氣組成究竟是如何維持穩定？

　　從植物製造氧氣的速率估算，平均一棵樹木大概可以維持2個成人一天呼吸所需要的耗氧量，但是亞馬遜森林大概孕育了全球一半種類的生物。森林每天製造的氧氣量，僅足夠供應這些生物呼吸的需求，其他地區生物呼吸所需要的氧氣，其實是來自更廣泛的海洋。

　　儘管亞馬遜森林並未實質提供氧氣供應給其他地區的生物，但是飛越在森林之上的河流卻是全球氧氣供應鏈上不可或缺的一環。卑南遺址公園預計於9月22日下午14:00播放的野望影展影片「宇宙奇石：呼吸」，將帶大家跟隨8位太空人的腳步，以空中的角度看地球，從東非荒漠到極區的冰原，找尋我們賴以生存的氧氣到底從哪裡來！

　　我們所居住的地球，雖然不是宇宙中唯一可能有生命存在的星球，但絕對是最奇特的行星之一。地質學研究顯示，除了氫氣和氦氣以外，太陽系各行星的化學組成都與太陽十分類似。換言之，46億年前的地球形成之初，原始大氣的主要組成只有氫氣和氦氣，可能再加上少量的甲烷氣和氨氣（相當於木星等行星的大氣組成）。

　　之後，旺盛的火山活動，不斷地把水氣、二氧化碳、二氧化硫、氮氣等分子從地底深處釋放到地球表面，逐漸改變地表大氣層的組成。火山氣體中最重要的水氣在地表凝結而成為今日海洋的來源。二氧化碳及硫化氫也因為可溶於水的特性而從大氣中移除，唯有氮氣慢慢累積而成今日大氣中最重要的組成。

　　那我們賴以生存的氧氣何時才出現在地球的大氣中？這與地球生命的起源有著密切的關聯！我們目前發現到最早的生命遺跡，是在加拿大42億年前的岩石中發現團狀的有機體化石，而真正的生物化石則是37億年前形成的疊層石（stromatolite）。

　　在這段地球早期的歷史中，大氣中的游離氧含量是幾近於零。想像原始地球的樣貌，陸地上隨時有火山作用，噴出的岩漿流在荒蕪的大地上冷凝成黑色的玄武岩大地，寂靜的海洋只有在淺海區有藍綠藻一類的原始生命存在，每當藍綠藻行光合作用產生的氧氣釋放出來，馬上就把海水中溶解的鐵離子氧化成赤鐵礦（Fe2O3）在淺水區沉澱下來，形成一片紅色地層，這就是今天地球上最大的鐵礦床—縞狀鐵礦（banded iron formation）的來源。也因為地表的大氣是缺氧的，所以連很容易風化的愚人金（黃鐵礦，pyrite）都可以形成礫石在地層中留存下來。

圖3.地球大氧化時代形成的縞狀鐵礦層是目前世界上最重要的鐵礦（Grame Churchard 攝）。(資料來源）

圖4.大氣缺氧的地質年代中，很容易氧化的黃鐵礦可以完整保留在礫岩層中（筆者攝於維也納自然史博物館）。

　　缺氧的地球大氣一直到26億年前才有了轉機，這個地球史上的大氧化事件，雖然形成原因仍有眾多爭議，但不可諱言的是，地球上的生命確實因為大氣中游離氧含量的增加而有了契機。真核生物取代了原始的原核生物成為地球生命的主流，最後還開啟了寒武紀的生命的大爆發，讓地球變成宇宙中具有繽紛生命的獨特星球。

　　大氣中的游離氧氣在增加到26%時達到瓶頸，我們可以從3億7千萬年前的石炭紀地層中得到印證。當時的高氧含量讓剛在地表演化出來的昆蟲體型變得巨大，比如蜻蜓展翅可以達到70cm以上。但是充沛的氧氣也容易造成森林大火，因此植物在大火後形成的焦炭也廣泛分布在石炭紀的地層之中。

圖5.典藏於法國洛代夫博物館（Musée Lodève）的石炭紀蜻蜓化石，展翅寬度達到68cm。(資料來源）

　　我們賴以生存的氧氣在地球大氣中的變化，其實就是一部地球歷史的縮影，生活在富含氧氣的地球上，人們總是將呼吸視為理所當然，沒有氧氣的世界會是什麼樣子？沒有人比太空人更懂得氧氣的重要性了!我們將在「宇宙奇石」影片中看到8位太空人現身說法，談藍色星球的奇特美景到底蘊含那些驚人的秘密!為了讓觀眾可以更深入了解氧氣與地球上生命發展的關係，卑南遺址公園在影片播放之前，安排一場專題演講，談如何從地質的證據中重建大氣中游離氧氣演化史以及氧氣含量對地球環境的影響。想知道足以供給全地球生物的氧氣是怎麼來的嗎？千萬別錯過了9月22日下午2點，卑南遺址公園為您提供的精彩活動！

野望影展活動內容請參閱

（本文作者為史前館遺址發展組副研究員，野望影展巡迴展館方承辦人）

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