为什么地球大气中有丰富的氧气?

Question

显然是因为光合作用。但实际上这并不是那么明显，因为光合作用主要是由呼吸作用平衡的。

我们可以这样总结光合作用和呼吸的过程:$$\begin{align} \ce{CO2 + H2O + h\nu} & \rightarrow \ce{O2 + CH2O(生物量)}\\ ce{O2 + CH2O(生物量)}& \rightarrow \ce{CO2 + H2O} \end{align} $$如果这两个反应总是平衡的，那么$\ce{O2}$的浓度就永远不会改变。如果我理解正确的话，有一些非生物过程会消耗$\ce{O2}$来形成铁氧化物，因此为了让地球大气中持续存在$\ce{O2}$，整个生物圈必须不断地产生过量的$\ce{O2}$。为了使这种情况发生，必须有一些过程以不可忽略的速度消耗生物质，而不从大气中去除相应数量的$\ce{O2}$。

我的问题是，造成这种情况的主要过程是什么?这仅仅是由于未氧化有机物的埋藏(形成煤、石油等)，还是有更多的原因?

如果它们是不同的过程，我感兴趣的是在“大氧化”事件中是什么导致了氧气过剩，以及在现代地球上是什么维持了氧气过剩。

Answer 1

这只是一个部分的答案，因为它不能解释为什么过量的O₂但有一件事你必须明白，那就是有氧呼吸在光合作用后5亿年才出现，所以我们不能说光合作用和呼吸一直相互平衡。

蓝藻(与它们一起进行光合作用)被认为出现在3 - 2.5Ga之间(例如。Altermann & Kazmierczak, 2003，布罗克斯等，2003年)，而线粒体(以及伴随它们的有氧呼吸作用)被认为是在2 - 1.5Ga之间进化而来的。赫奇斯等，2004年）.

因此，蓝藻至少有5亿年的时间产生O₂没有人能呼吸它。

Answer 2

我的回答有点超出了证据——没有太多证据。

这个问题

现在有很多游离氧。这种氧气不是突然从地下或太空来的。所以它以前是连着某个东西的。问题是，它连着什么，它连着什么?

背景

首先，我们有充分的理由认为，在有任何游离氧之前，细菌已经进行了氧化磷酸化。它不需要自由氧，只需要一个电子受体。O₂提供最多的能量，但许多其他反应物提供一些能量，而细菌王国使用的能量种类繁多，令人眼花缭乱。使用不同的电子受体只需要一种不同的酶——其余的途径可以是相同的。

因此，在有游离氧之前，原核生物确实进行了套利——它们进化到在当时面临的任何条件下都能找到最好的电子供体/电子受体对。他们使用的所有东西都必须在一个循环中创造出来。他们用完的任何东西如果没有被替换，很快就会消失。

在有游离氧之前，光合作用仍在进行。一些细菌使用H₂S作为电子供体，生成的S可以被还原为能量。一些人创造了H₂．有些可以减少CO₂这样它们就可以利用碳和氧来制造所需的结构。有些不能，但仍然可以从光中获得能量。其中一种方法与氧化磷酸化几乎相同，它使用吸收的光能进行电子传递，而不是使用氧化还原能量，几乎是相同的途径。

周期。每一个反应都必须终止，否则生成物会增加到使反应变慢的程度。唯一的例外是改变状态的产品。固体或气体产物对反应的抑制作用不大。

各种各样的电子供体和受体。光合作用产生能量对的分子或离子。然后氧化还原生成能量较低的分子或离子对。

什么东西在过去是与氧结合的，后来没有结合?

一些可能性

1. 氢。一种形式的光合作用产生H₂．也许有时候会有很多H₂在宇宙中消失了。就像更多的O和更少的H会留下更多的O₂剩下。

2. 硫磺。也许海洋中的大部分硫都是以SO的形式储存的_3.．

H₂所以_3.-> s + h₂O + O₂．

硫可以被氧化成SO_3.．或者它可以代替氧作为氧化剂——H₂O -> h₂年代等等。

所以通过改变状态可以影响自由氧₂．固体硫可能会在海底被俯冲。

3. 重金属+硫。也许古代海洋中溶解了大量的铁和镍等，还有大量的硫。硫酸铁在室温下很容易溶解，接近300克/升。前提是它不是碱性的。但是硫化铁是不可溶的。许多其他重金属也有类似的行为。

F_3.O₄+ 4小时₂所以_3.F - - - >_3.年代₄+ 6 o₂+ 4小时₂0(以及许多其他组合)

4. 氮。氮可以还原为NH₄或氧化为NO₂或没有_3.．

2没有₂+ 4 h + = n₂+ O₂+ 2小时₂O

也许曾经有一段时间，大气中的氮含量只有现在的75%₂就像现在一样，没有O₂．这种反应意味着海洋以前比现在酸性更强。但是也可能有其他的反应来中和它，还有很多其他的缓冲。

5. 硅。硅通常被氧化，SiO₂．它不需要有这个比例。其他的硅化合物也可能存在，如碳化硅和perryite Fe₅如果₂氮化硅在酸性水中是稳定的_3.N₄、磷化硅SiP₂等。硅氧烷的Si:O比例为1:1。低分子量硅氧烷是由现代厌氧沼气发酵罐生产的，尽管它可能是真核生物生产的。这里可能有大量的二氧化硅₂可用来释放氧气，尽管每次只有少量的氧是可溶的。

或者细菌将硅酸代谢成含氧量较少的不溶性化合物。这完全是假设，因为只有少量的碳化硅被发现，其余的碳化硅必须被俯冲。

带状铁岩层中确实有非晶态石英层。二氧化硅被从水中去除。也许是当可溶性硅氧烷在水中积聚时，铁被去除，然后硅氧烷转化为二氧化硅并在铁在水中积聚时被去除。

这是一个复杂的反应网。光合作用为产生高能量的化学物质提供了能量。与此同时，每一个不进行光合作用的生物都忙于寻找提供能量的催化化学反应的最佳组合，而不是创造生长和繁殖所需的分子。奇怪的事情发生了。

Answer 3

我将探索答案，承认地球在古代的温度比我们现在假设的要高得多。目前的标准模型是“雪球地球”，它留下了许多未解决的问题——参见“微弱的年轻太阳悖论”。

我将假设$\ce{H_2O}$， $\ce{CO_2}$， $ ce{O_2}$的总量在整个地球历史上基本上是恒定的。

如果温度足够高，海洋中的所有水都会留在大气层中。氧的百分比将是$\约0$，因为它将被大量存在的$\ce{H_2O}$所掩盖。

后来，当温度下降时，水迁移到海底，$\ce{O}$的百分比爆炸到现在的水平。这一事实被称为“大氧化事件”，在标准模型下并没有很好地理解。

关于游离氧源:(复制/粘贴)

“已知有两种产生氧气的自然方式:通过紫外线分解H2O和通过光合作用。在ECM中，前一个过程最初比现在更有效，因为当时发生了大量的水蒸气和更强的紫外线辐射。太古宙结束于2.5 Ga，因此比古古宙更早，在太古宙期间，氧气的生物生产很重要。通常的方法是认为生物产生的氧气首先与海洋中溶解的铁结合，后来才大量释放到大气中——这是一种解释生物产生氧气的假定时间与大气中氧气水平上升之间的延迟的方法。在这里，没有必要考虑延迟-生物产生的氧气溶解在水中，并被巨大的大气吸收，而没有显著改变其成分;只有当大气因水蒸气凝结而显著降低时，氧气水平才会增加。人们现在可以认为，氧气从一开始就大量产生，首先是由紫外线分解产生的，随着时间的推移，速率逐渐下降，很快就由生物产生。在这种情况下，早在大气水平开始显著上升之前，大气中就有大量的游离氧;一些潜在的证据可以被识别出来(评论见Yamaguchi, 2005)。”

ECM代表演化气候模式这个新概念在正式文件中被赋予了生命(如果你想进一步探索，你可以点击我个人资料中的第二个链接，而不是同行评议)

编辑添加:
虽然没有人想要对ECM的文档进行同行评审，(*)在图9中的图表提供了与Oxigen的最新测量相一致的建模数据。
Measures违背了所有公认的模型(5倍于815Ma的氧气)，如这条新闻的图4所示
http://motherboard.vice.com/en_uk/read/scientists-release-air-that-has-been-trapped-for-800-million-years

相反，ECM的图9图9所示。ECM1中氧气体积比的变化，由于大气大小的变化，保持氧气的量不变(粗蓝线)。灰色线表示荷兰估计的氧气体积比(大气分压)的极限(2006年)

ECM没有经过同行评审，但它预测了将要看到的数据(它是经过数据评审的)!

ECM是工程师的发明，科学家认为科学不适合工程师。

注:这种新的测量方法能够说:氧气第一，生命第二，这使得人们在周围能找到的大多数答案都是错误的。

如果没有人能在文档中发现错误，为什么会有这么多反对票(5票)?