45亿年前地球刚形成时，大气中几乎没有氧气。但是24.3亿年前，发生了一些特殊事件：氧气水平开始上升，然后下降，伴随着气候的巨大变化，包括几次可能覆盖整个地球的冰期。
在这个时期形成的岩石中的化学特征表明，在23.2亿年前，氧气浓度是地球大气的永久特征。正是地球大气层中氧气的永久性浓度上升，从根本上改变了地球后来的宜居性。
但一项对23.2亿年前之后的时期进行的新研究发现，在22.2亿年前地球最终达到一个永久的临界点之前，氧气水平仍在来回波动。
这项新研究发表在《自然》(Nature)杂志上，它将科学家所称的大氧化事件的持续时间延长了1亿年。研究人员通过分析大氧化事件发生时沉积在海洋中的南非岩石，发现早期大气中的氧气是短暂存在的，直到很久以后，氧气才成为大气的永久特征。
“我们现在才开始看到这个事件的复杂性，”该研究的合著者、加州大学河滨分校的地质学家安德烈·贝克(Andrey Bekker)表示。
大氧化事件中产生的氧气是由海洋蓝藻细菌制造的，这是一种通过光合作用产生能量的细菌。光合作用的主要副产品是氧气，而早期的蓝藻细菌最终产生了足够的氧气，来永远重塑地球的面貌。
这种变化的特征在海相沉积岩中可见。在无氧的大气中，这些岩石含有某些硫同位素。当氧气激增时，这些硫同位素就会消失，因为在氧气存在的情况下，产生硫同位素的化学反应不会发生。
贝克和他的同事们长期以来一直在研究这些硫同位素信号的出现和消失。他们和其他研究人员注意到，大气中氧气含量的升降似乎与25亿至22亿年前发生的三次全球冰川作用有关。但奇怪的是，这一时期的第四次也是最后一次冰期并没有与大气含氧量的变化联系在一起。
研究人员对此感到困惑。“为什么我们有四次冰川事件，其中三次可以通过大气氧的变化联系起来并解释，但第四个是独立的？”
为了找到答案，研究人员研究了来自南非的年轻岩石。这些海相岩石覆盖了“大氧化事件”的后期，从第三次冰川作用的余波到大约22亿年前。
他们发现，在第三次冰期之后，大气最初是无氧的，然后氧气又上升和下降。23.2亿年前，氧气含量再次上升——科学家们此前认为这一水平的上升是永久性的。但在较年轻的岩石中，贝克和他的同事再次检测到含氧量下降。这一下降正好与最后的冰期相吻合，而这之前并没有被认为与大气变化有关。
研究人员仍在研究导致这些波动的原因，但他们已经有了一些想法。其中一个关键因素是甲烷，一种比二氧化碳更能吸收热量的温室气体。
今天，与二氧化碳相比，甲烷在全球变暖中扮演的角色很小，因为甲烷与氧气发生反应，在大约10年内就会从大气中消失，而二氧化碳会在大气中存在数百年。但当大气中几乎没有氧气时，甲烷的存在时间要长得多，而且是一种更重要的温室气体。
所以氧化作用和气候变化的顺序可能是这样的：蓝藻细菌开始产生氧气，它与当时大气中的甲烷反应，只留下二氧化碳。这些二氧化碳的含量不足以弥补失去的甲烷造成的变暖效应，所以地球开始变冷。之后冰川扩张，地球表面变得冰冷。
将地球从永久的冰冻中拯救出来的，是冰下火山。火山活动，最终使二氧化碳水平上升到足以再次使地球变暖的水平。由于蓝藻接受的阳光减少，被冰层覆盖的海洋中的氧气生产滞后，而来自火山和微生物的甲烷再次开始在大气中堆积，进一步升温。
但是火山的二氧化碳水平还有另一个重要影响。当二氧化碳与雨水反应时，就会形成碳酸，碳酸比ph中性的雨水溶解岩石更快。岩石的快速风化，会给海洋带来更多的营养物质，比如磷。
在20多亿年前，这样的营养物质的涌入将会使海洋产氧蓝藻进入一种疯狂的生产状态，再次提高大气中的氧气水平，降低甲烷含量，从而重新开始整个循环。
最终，另一个地质变化打破了这个氧化冰期循环。这种模式似乎在22亿年前就结束了，当时岩石记录显示有机碳被掩埋的数量在增加，这表明光合作用的生物正处于鼎盛时期。
没有人确切知道是什么触发了这个临界点。贝克和他的同事们假设，这一时期的火山活动为海洋提供了新的营养物质流入，最终为蓝藻提供了它们茁壮成长所需的一切。
贝克说，在这一点上，氧气含量足够高，足以永久抑制甲烷对气候的巨大影响，而来自火山活动和其他来源的二氧化碳。成为保持地球温暖的主要温室气体。
贝克表示，世界各地还有许多这个时期的其他岩石序列，包括西非、北美、巴西、俄罗斯和乌克兰。他说，需要对这些古老的岩石进行更多的研究，以揭示早期的氧化作用周期是如何工作的，特别是要了解起伏是如何影响地球生命的。
