构造地质学博士，科学松鼠会成员，中国科普作家协会会员。从天地初开到洪荒辟离，从生物灭绝到板块漂移......在每个亘古的岁月里，都有值得讲述的有趣故事。我是溯鹰，一位回溯地球历史的旅人，很荣幸成为您的Storyteller。
相较于赖以立足的行星，生物的尺度真的太小了。从时间上看，短则数天长不过几百年，与地球四十六亿年相比不过是转瞬之间的须臾；而从空间上看，哪怕整个生物圈，甚至连“地球的薄膜”都算不上，充其量也不过是“薄膜之上的尘埃”。生命如戏，世界是舞台，演员就算再卖力，也不能对舞台奈何分毫吧。
但如果新研究告诉你，细菌，这种最不起眼的生命形态，曾经吃掉了一半的地球大气，很久之后才又吐了出来呢？
今天浓厚而多姿的地球大气，与几十亿年前地球大气的真实模样可能大径相庭。图片来源：Wikipedia
地球能有生命，极大程度上要拜大气层所赐——没有大气，就会像月球那样遭遇昼夜温差两三百度的惨剧。这些气体主要来自地球内部，但是等到地球从初始的动荡里稳定下来之后，就很难有什么地质过程能大规模释放气体了。所以从那时起直到今天，地球应该一直有一个浓密的大气层，对吧？
结果不对。2016年5月，华盛顿大学的桑绰伊.索姆（Sanjoy Som）等人在《自然•地球科学》（Nature Geoscience）上发表研究说，地球曾经历过一个“超薄”时期，大气层不到今日一半大气压的水平。
足足半个星球的大气是被谁吃了？又是怎么吐出来的呢？如此重大的事件，被扒出来的地方，居然是在芝麻粒儿大小的…小泡泡里面。
索姆教授的团队在澳大利亚发现了一套30亿年前的熔岩。在这些熔岩表层，有一些已经被沉淀物充填踏实的小气泡。小泡泡倒不是什么新鲜的事情，熔岩是一种成分复杂的液体，里面溶解了大量的气体物质。当熔岩喷出地表之后，由于温度和压力的降低，这些溶解在熔岩中的气体不免会释放出来，然而，熔岩本身粘度很大，有时候气泡还没有完全跑出来，熔岩就凝固了，于是气泡便被封印在了凝固的熔岩流中。气泡里的气体物质会随着温度的冷却慢慢结晶沉淀，直到把整个气泡填满，看上去就像一个个白杏仁一样。这样的熔岩形态，在岩石学家那里有一个很形象的名词来称呼它，即所谓的杏仁构造（Amygdaloidal Structure）。
杏仁状构造的熔岩切片，白色的杏仁状物质便是沉淀物填满的气孔，这些气孔在冷凝时被封存在熔岩之内。图片来源：blogs.agu.org. 拍摄者：地质学家Evelyn Mervine，2007；标本采集地点：Ninetyeast Ridge, Indian Ocean
正交光下的杏仁构造玄武岩，中间的“杏仁”被塞进了其他矿物，和外圈玄武岩明显不同。图片来源：micro.magnet.fsu.edu
熔岩里有泡泡并不奇怪，但谁能主导泡泡能不能溢出、溢出的泡泡有多大——就是我们该关注的重点了。说白了，大气压说了算。30亿年前的熔岩，30亿年前的大气压说了算。
而计算的结果就是，30亿年前的大气层只有今天一半不到的水平。
足足一半的大气没有了，这可不是小事；大气中氧气的含量才五分之一而已啊。这么大规模的变化，那嫌疑人只能是大气层最主要的一种成分：氮气。
氮气（N2，Nitrogen），一种大家并不陌生的气体。从液氮冰淇淋到充氮啤酒，生活中似乎时不时都能看到这种气体存在的痕迹，但其实这都不是氮气真正刷存在感的地方。氮气真正“大秀身材”的地方，是地球的大气层。我们平时呼吸的空气里，有几乎80%都是氮气。至于氧气，其实只占了差不多20%左右；然后剩下的1%才是什么二氧化碳啊等杂质。所以，说氮气是今天大气层的绝对主角，似乎一点也不过分。它的化学性质很稳定，你点燃不了它，呼吸进去之后也无法被我们的身体所利用。比起靠氧化还原反应（Redox reaction）统治了大半部地球演化史的氧气，氮气似乎永远都是那个不声不响的低调角色。
真的不声不响吗？那是针对咱们这些靠氧气呼吸的生物来说的。要是搁到细菌的世界里，可能就要换一种说法了。
大量研究已经表明，早在太古宙时候，地球上已经有细菌生存的迹象了。这些太古细菌的“食谱”很古怪。它们可以直接摄取大气中的氮气，通过把氮气（其中的氮为零价态）还原成氨（NH3，N为-3价态）来直接合成生物界里最重要的一种建材——也就是我们大家熟悉的氨基酸。在大氧化事件发生之前，由于整个地表都缺氧，当这些还原态的氮被细菌的新陈代谢被排泄出来时，就很难被氧化成氮气回到大气层。
那它们还能跑到哪儿呢？它们上不了天，但是能“下地”——通过沉积作用聚集到岩石圈中，以铵离子（NH4+）的形式固定下来，固定到岩石的晶格中。就这样，在细菌这个“中介”的作用下，大气圈中氮气，会逐步进入岩石圈，而岩石圈中的氮呢——由于环境中缺少将它们的价态氧化上去的机制——则很难重新循环成氮气排出到大气层中。在这个单向度的消耗过程中，大气层中的氮气会越来越少，而岩石圈中的氮素会越来越多。这个过程，被形象地称为“固氮作用”（Nitrogen fixation）。太古细菌们源源不断地进行着固氮作用，日积月累，月积年累，亿万年地积、亿万年地累，最终，把这颗星球的大气压，削到了不足今天一半当量的水平。
然后问题来了：大气层是怎么从当时那稀薄的状态，一步步积累到现在这么厚的水平呢？这其中，想来必有一次行星级的大事件。
答案是：由于沐浴在光芒之下，生命们慢慢地走进了新世界。光是太阳光的光，新世界是富氧的新世界。嗜氮菌毕竟只是太古细菌中的一部分。另一部分——比如蓝藻——则是营光合作用的生物。这些慢慢崛起的光合细菌，将大量的氧气排泄到外界，从而彻底改造了大气层的贫氧面貌，没错，这就是25亿年前的大氧化事件本身。这次事件终结了令人窒息的太古宙（Archean Eon），打开了地球富氧时代的第一扇大门——元古宙（Proterozoic Eon）。由于这个事件对地球的演化非常重要，我在接下来会专门找时间来聊聊它。
艺术家想象的太古宙地球。图片来源：bbc
氧气一旦充足了之后，它们便会以摧枯拉朽之势氧化地表一切能氧化的东西，包括铁、包括硫、更包我们这篇故事里的主角——氮。于是结果就是，大量的氮突破了岩石圈长久以来的禁闭，以氮气的形式重新回到了久违的大气层。这些回归的氮气一步步充实着大气层的体量，自此和氧一道，成为地球大气中具有压倒性比例的双巨头。直到在漫长的岁月中，将大气层塑造为我们今日得以感受的水平。
所以这段故事告一段落了？但站在我们人类的立场来说，“新世界的大门”其实并不在洪荒的过去，而在未来的前方。人类已经掌握了测定系外行星光谱的技术，而系外行星的光谱，可以帮助我们推断这些行星表面的化学成分。
好了，有趣的在这儿：试想如果有一天，我们确认了一颗系外行星稀薄贫氮、但却有着异常丰富的温室气体……？
那时的你觉得会发生些什么呢？
还是引用费曼那句话：“我就先说到这儿，剩下的，就留给你们来想像了。”
（编辑：Ent；排版：小岚欧欧）
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