很久以前，地球和我们的家园大不相同。一个叫做罗迪尼亚的超级大陆正在分裂成碎片，这些碎片的名字有些耳熟，比如劳伦提亚、波罗地加和冈瓦纳兰。有一段时间，整个地球都被冰层覆盖着。生命在这个急剧变化的世界里勉强存活。
所有这些都来自地球历史的一章，科学家们今天将其命名为新元古代，它持续大约10亿年前到5.4亿年前。在它那石砌的书页中，漫长的时间是我们今天世界的一个遥远的前奏:在那个时代，最初的动物从古代海洋中的原生生物进化而来，开始有了生命。
就像今天的人类和他们的同类动物一样，这些古老的祖先需要氧气才能生存。但它从何而来，何时而来?我们仍然没有确切的答案。但专家们已经对新元古代氧气如何形成的情况做出了模糊的描述，并于今天发表在该杂志上。这是一个颠簸的过程，充满了氧气进入大气层后再次消失的周期，循环往复，持续了数千万年。
要回顾那么远的过去，你必须把我们对现代世界习以为常的东西扔到窗外去。英国伦敦大学学院的地质学家亚历山大·克劳斯是这篇论文的作者之一，他说:“随着时间的推移，地球变得越来越陌生。”
事实上，在地球形成后，早期的大气层是由火山喷发喷出的气体混合而成。数十亿年来，它们在我们的星球上覆盖了一层有毒的甲烷、硫化氢、二氧化碳和水蒸气的混合物。
这种情况迟早会改变。我们知道大约23亿年前，一种叫做蓝藻的微生物通过光合作用产生了大量氧气。科学家们很有创意地把第一批气体称为“大氧合事件”。但是，尽管它的名字很宏伟，这个转折点只把我们大气中的氧气含量提高到今天的一小部分。
从那时到现在发生了什么仍然是一个模糊的问题。许多专家认为，在大约4亿年前的古生代，就在动物开始从海洋爬到陆地上的时候，发生了另一次氧合事件。另一个阵营，包括这项新研究的作者，认为有第三个事件，大约在7亿年前的新元古代。但没有人确切知道氧气是随着时间的推移逐渐增加，还是剧烈波动。
这对地质学家来说很重要，因为大气中的氧气几乎参与了地球表面的每一个过程。即使早期的生命大多生活在海洋中，海洋上层和大气也会不断地交换气体。
为了了解更多，克劳斯和他的合作者模拟了从15亿年前到今天的大气，以及在这段时间内空气中的氧含量是如何波动的。尽管他们没有技术来嗅一嗅数十亿年前的空气，但地质学家可以利用一些指纹来重建古代大气可能的样子。通过探测那个时代的沉积岩，他们能够测量其中的碳和硫同位素，这些同位素的形成依赖于大气中的氧气。
此外，随着地球构造板块的移动，埋藏在地幔深处的氧气会出现，并通过一个被称为构造脱气的过程气泡上升到空气中。利用相关时代的构造活动信息，克劳斯和他的同事先前估计了脱气的历史随时间的变化。
通过把这些零星的证据放在一起，研究小组得出了一个预测，即直到今天空气中的氧气水平是如何波动的。这不是科学家们第一次尝试制作这样的模型，但据克劳斯说，这是第一次有人在10亿年的时间尺度上尝试这种模型。克劳斯说:“其他人只重建了它几千万年。”
他和他的同事们发现，在地球的历史上，大气中的氧含量并没有遵循一条直线。相反，把它想象成一个氧气过山车。在大约1亿年的时间里，氧气含量上升到现代水平的50%左右，然后再次骤降。仅在新元古代就有五个这样的山峰。
直到5.4亿年前的古生代，大气才真正开始充满。最后，大约在3.5亿年前，氧气达到了接近今天的水平。这种增长与被称为寒武纪大爆发的生命多样性大爆发相吻合。从那以后，虽然氧气水平持续波动，但从未低于目前的60%左右。
“这是一篇有趣的论文，”麦克斯韦尔·莱赫特(Maxwell Lechte)说，他是麦吉尔大学(Montréal)的地质学家，没有参与这项研究。在对地球遥远过去的研究中，“这可能是过去10年左右最具争议的讨论点之一”。
然而，需要注意的是，用于模拟的数据集是不完整的。莱赫特说:“那里还有很多岩石没有被研究过。”“随着更多的研究出来，他们可能会更新模型，这可能会显著改变输出。”
一个显而易见的问题是氧气的趋势如何对生命的进化产生涟漪效应。毕竟，正是在第三种可能的氧合过程中，原生生物开始多样化，并逐渐发展成为最早的动物——需要氧气生存的多细胞生物。古生物学家发现了大量可以追溯到那个时代末期的化石，包括一块有争议的8.9亿年前的海绵。
这些动物可能是在氧气水平足够高的时期发展和繁荣起来的，比如繁荣的寒武纪大爆发。与此同时，氧气水平的下降可能与大规模的死亡相吻合。
天文学家可能也会注意到这项工作。任何氧合的答案都对我们可能在遥远的类地系外行星上发现什么有严重的影响。如果这些地质学家是正确的，那么这就证明了地球的历史不是线性的，而是曲折的，扭曲的，有时是暴力的。Lechte说:“这篇论文讨论的这些问题代表了我们对地球实际运行方式的理解的一个根本差距。”
