研究人员在加拿大安大略省北部发现的约14亿年前卤石晶体中，识别出保存完好的古老气体和流体包裹体，并据此直接约束中元古代（约18亿至8亿年前）大气中氧气和二氧化碳的含量。相关成果已发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

直接测得中元古代氧气与二氧化碳水平

研究团队对卤石晶体中的流体包裹体进行分析，结果显示，当时大气中氧气浓度约为现代水平的3.7%，二氧化碳浓度约为工业化前水平的10倍。作者指出，这一氧气水平足以满足复杂多细胞动物的代谢需求，而动物化石证据在地质记录中要晚出数亿年。

与此同时，显著高于现代的二氧化碳浓度被认为足以抵消“暗淡的年轻太阳”带来的减弱辐射，从而维持与现代相近的温和气候状态。研究团队结合卤石晶体本身的温度估计，认为中元古代气候可能比此前一些间接推断所显示的更为温和。

技术挑战与样本意义

科学界此前已认识到，卤石晶体中的流体包裹体可以封存早期地球大气和海水的样本。但由于包裹体同时含有气泡和盐水，而氧气、二氧化碳在水相与气相中的行为存在显著差异，从中获取精确的大气成分数据一直较为困难。

本次研究中，团队对卤石包裹体中气体和流体进行分辨与测量，获得了被称为“前所未有”的二氧化碳数据精度。研究人员表示，这些包裹体可视为“真正的古空气样本”，使得对中元古代大气成分的重建较以往更为直接和精确。

研究中展示了卤石包裹体的初级、混合和次级组合体的显微照片，用以说明不同类型包裹体在样品中的存在形式。相关图像由论文作者团队提供（Park 等，doi: 10.1073/pnas.2513030122）。

“无聊十亿年”中的短暂增氧事件

中元古代常被地质学界称为“无聊十亿年”，这一时期被描述为氧气含量较低、气候和地质环境相对稳定、进化变化缓慢。研究人员指出，本次获得的卤石样本仅代表地质历史中的一个时间切片，可能记录的是这一长时段中一次短暂、瞬时的增氧事件。

研究团队表示，尽管这一时期在演化史上被视为“变化稀少”，但获取其直接观测数据对于理解复杂生命在地球上的出现过程，以及大气如何演变至现代状态，具有重要意义。

此前针对中元古代二氧化碳水平的多项间接估算多指向较低浓度，这与地质记录中缺乏显著冰川活动的证据并不完全吻合。本次研究给出的高二氧化碳直接测量结果，为解释当时未出现广泛冰川提供了新的约束。

与早期藻类演化的潜在关联

研究团队提到，红藻是在这一时期出现在地质记录中的生物类群之一，至今仍是全球氧气生产的重要贡献者。论文作者认为，相对较高的氧气水平可能与藻类生物数量和复杂度的增加存在直接联系。

研究人员表示，本次工作可能捕捉到的是“无聊十亿年”中一个大气含氧量上升、气候温和且与生物演化相关的关键时刻。

论文信息

该研究由 Justin G. Park 等人完成，论文题为《为无聊十亿年注入生命：来自14亿年前流体包裹体的直接约束揭示温和气候和增氧大气》（Bringing the boring billion to life: Direct constraints from 1.4-billion-year-old fluid inclusions reveal temperate climate and oxygenated atmosphere），发表于 2025 年《美国国家科学院院刊》（PNAS）第 122 卷第 52 期，文章编号 e2513030122，doi: 10.1073/pnas.2513030122。