写给Eric的自然读物 - 光合作用

地球（Earth）刚刚形成的时候，和其它行星一样，都源自太阳系内的尘埃（dust）。虽然地球的个头比起最大的行星 - 木星（Jupiter）要小得多，但每个行星的大气层都是差不多的，都以氢气（Hydrogen - H2）、氨（Ammonia - NH3）、甲烷（Methane - CH4）、硫化氢（Hydrogen sulfide - H2S）、二氧化碳（carbon dioxide - CO2）、二氧化硫（sulphur dioxide - SO2）、水蒸气（H2O）等等为主。上述H2、CH4、H2S、CO2等等都属于还原性Reduction（注1）气体。需要提到的一点，最初形成的行星的大气层中是没有游离的氧气（Oxygon - O2）的。另外，那个时期的地球上也没有像现在这样大面积的水（Water - H2O）。随着地球慢慢冷却，一部分水蒸气凝结为水落在地面上，二氧化碳（carbon dioxide - CO2）与二氧化硫（SO2）溶解到地面的水里，空气中留下的成分形成了原始的大气。地球上最初的生命（Life）就是产生在这种还原性环境下。

注1：还原性是指在化学反应中原子（Atom）、分子（molecule）或离子（Ion）失去电子（electron）的能力。物质含有的粒子失电子能力越强，物质本身的还原性就越强；反之越弱，而其还原性就越弱。

最初的大气形成时，充满了火山不断喷发出的大量水汽。当时地表温度较高，大气不稳定对流效应强烈，这种对流效应使得风雨闪电频繁，地表逐渐出现了江河湖海等水体。这对出现生命有很大意义。

地球由最初的环境，逐步形成如今大面积的海洋，空气中大量的氧气的环境，主要的贡献源自于几十亿年间一代代的生物对自然环境的改造。那么这个改造过程是怎么一种情况呢？大致来说，是生物圈的光合作用改造了地球的环境。首先，我们要清楚光合作用Photosynthesis 是怎么一回事。

光合作用分为两个步骤：

12H2O +阳光Sun Light Energy→ 12H2 + 6O2 （release）

12H2 (from above formula) + 6CO2 → C6H12O6 (葡萄糖carbohydrate - save for itself) + 6H2O （release）

距今24-30亿年左右，地表的水体中出现了蓝藻（blue—green algae），是已知最早的产氧光和微生物。蓝藻第一次从生物圈的角度上加速了大气的演化。在蓝藻发育较好的水体，水体的氧化作用很明显，出现了局部氧化现象。这时大气氧含量达到现今大气水平的1%到10%，也被地质学家称为大氧化事件。

地球上最初的生命出现后，开始通过光合作用为自己储存能量。生命吸收地表水中的CO2，开始向水中中释放氧气O2。当水中的氧气O2饱和后，氧气被释放入大气层中。

当时的地球表面有大量的铁Fe离子，溶于海洋中以二价铁Fe2+形式存在。随着海洋中的生命开始释放氧气，氧气与溶于水的二价铁Fe2+结合，形成不溶于水的三价铁Fe3+化合物Fe3O4。Fe3O4沉淀到海洋底部，慢慢堆积下来，形成了如今的铁矿。

当今的大气中，大约有71%的氮（）、21%的氧。它们是怎么来的呢？

最初的空气中由于没有氧气存在，高空中也就不存在臭氧(Ozone - O3)层。太阳中的紫外线穿透上层大气到达低空，把水汽分解为氢、氧两种元素。当一部分氢逸出大气后，多余的氧就留存在大气中。因为紫外线Ultraviolet（特别是波长较短的紫外线C VUC）会直接破坏生命的DNA，所以，当时的陆地不具备生命产生的条件。初生的生命仅能存在于紫外辐射到达不了的深水中，利用金属氧化物中的氧维持生命。后来生命逐渐出现在浅水中。浅水过滤掉阳光中有害的紫外线辐射。那个时期的生命（如蓝藻）已经可以利用溶入水中的二氧化碳来进行光合作用，后来又发展出有叶绿体的绿色植物。于是光合作用结合紫外线对水汽的光解作用使大气中的氧增加起来。当大气中氧的组分较多时，在高空就形成臭氧层，吸收有害于生命的紫外辐射，这时生命脱离水域而踏上陆地活动。总之，植物的出现和发展使大气中氧出现并逐渐增多起来，动物的出现借呼吸作用使大气中的氧和二氧化碳的比例得到调节。

氮气是一种较稳定的气体，常温下不易发生化学反应。现在大气中的氮，最初有一部分是由次生大气中的化学作用产生。火山喷发的气体中，一些情况下也包含一部分氮。在动植物繁茂后，动植物排泄物和腐烂遗体能直接分解或间接地通过细菌分解为气体氮（nitrogen - N2）。由于氮气化学状态稳定，逐渐积集成大气中含量最多的成分。

那么，金星、火星距离太阳的位置也合适，与地球形成时的情况也差不多，但为什么没有形成覆盖着海洋的蓝色星球呢？

这都是由于上面提到的紫外线作用。金星、火星、地球形成初期都含有大量的水。但是，由于阳光中紫外线的作用，很快就将地表出现的水分子分解为氢气与氧气（2H2O + Ultraviolet = 2H2 + O2）。氢气H2很轻，逐渐飘离星球之外；氧气O2则很快能够寻找到附近可氧化的东西氧化掉，然后缓慢地遁入地层，被重新吸收。太阳星中的几大行星，只有木星Jupiter的重力Gravity足够大，可以将氢气留在大气层内。诸如金星、火星、地球的引力都不能够。

任其发展下去的话，早晚有一天行星上的水会丢光。实际上，金星、火星、甚至月球如今的情况就是如此。

而地球，由于出现了生命 - 能够通过光合作用释放氧气的蓝藻。 它在天文尺度上很短的时间里，制造出大量氧气，在空中终于形成了臭氧层，拦截住了太阳的紫外线，同时也限制了如氢气等气体的逸失，最终保护了地球上的水。这样，地球原始的生命才能有接下来的机会逐步演化出动植物、直到人类。

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