地球歷史上經(jīng)歷過幾次氧氣含量突然飆升的情況，這種情況會被稱為“大氧化事件”，有些大氧化事件科學(xué)家還不知道當(dāng)時發(fā)生了什么。
△ 藍(lán)細(xì)菌
不過，最著名、也是大家最熟悉的大氧化事件很可能是生物第一次學(xué)會光合作用造成的，這種生物就是藍(lán)細(xì)菌，直到今天它們還是主要的地球氧氣貢獻(xiàn)者。
大約在30多億年前，藍(lán)細(xì)菌學(xué)會利用太陽能將水轉(zhuǎn)化成氧氣，它們這種獨(dú)特的創(chuàng)新取得了巨大成功，取代了那些吸收甲烷的細(xì)菌。
不過，大氧化事件并沒有如期而至，而是直到大約20多億年前才出現(xiàn)，足足遲到了差不多10億年。
目前的解釋是，藍(lán)細(xì)菌最初釋放的氧氣被海洋中還原性物質(zhì)（如鐵）吸收了，直到這些物質(zhì)消耗完了，它們釋放的氧氣才進(jìn)入改造海洋和大氣層。
地球海洋氧氣水平的提升，推動了真核生物的進(jìn)化。
由于利用氧氣在能量代謝中具有顯著的效率優(yōu)勢——氧氣的高氧化性使得有機(jī)物能夠被徹底分解為CO?和H?O，釋放全部化學(xué)能，所以真核真核生物就像藍(lán)細(xì)菌一樣獲得了巨大優(yōu)勢，并最終產(chǎn)生了復(fù)雜生命，以及后來誕生智慧生命。
△ 大氧化事件引發(fā)的雪球地球
那么有趣的問題是，如果一顆星球上沒有生物制造的大氧化事件，那么還有機(jī)會出現(xiàn)智慧生命嗎？
氧氣或是誕生智慧生命的必要條件
2023年發(fā)表在《自然-天文學(xué)》一篇文章的指出，氧氣是元素周期表中唯一性質(zhì)剛剛好的氧化劑[1]，沒有氧氣將不會科技文明。
生物要迸發(fā)出科技文明，它必須要找到方法利用自己所在星球上的能量，只有你比其它生物得到更多能量，你才有機(jī)會在競爭中勝出。
而最簡單的、也是最有可能被原始智慧生物找到的利用額外能量的方式就是燃燒。
人類祖先可能在200萬年前就已經(jīng)開始利用燃燒帶來的能量，也正是因?yàn)閷W(xué)會了利用這種能量，讓早期人類克服了大自然和其它生物帶來的各種困難，并最終迸發(fā)出智慧，以及在后來利用燃燒帶來的能量冶煉金屬等工具，并發(fā)展出科技文明。
眾所周知，燃燒需要燃料和氧化劑的參與，擁有這兩者之后，只要提供一個初始的能量輸入，它就能源源不斷的帶來能量，直到燃料或者氧化劑耗盡。
燃燒本質(zhì)其實(shí)是燃料上的電子轉(zhuǎn)移到氧化劑上，氧氣就是我們大多數(shù)燃燒的氧化劑，它在燃燒時接收電子。
有許多化學(xué)物質(zhì)都可以充當(dāng)氧化劑，但是這項(xiàng)研究沒有找到其它氧化劑合適被沒有科學(xué)基礎(chǔ)的原始智慧生物利用。
氧氣是一種很強(qiáng)的氧化劑，它非常容易獲得電子，所以很多材料都可以用它做氧化劑，在所有氧化劑中，沒有幾個比氧氣強(qiáng)。
那些比氧氣強(qiáng)的氧化劑，可以用強(qiáng)到離譜來形容，例如氟，這是其中一種比氧氣更強(qiáng)的氧化劑，這種氧化劑不需要太高的濃度，就可以燃燒一切材料，包括各種金屬。
△ 想象中的充滿氟氣的星球
如果一顆星球上充滿了氟氣，而不是氧氣，同時這顆星球上迸發(fā)出有別于地球的生命形式，那么那里的高等生物也將無法取得燃燒帶來的能量。
因?yàn)樵诜鷼庵腥紵?，不僅很危險，而且即便這些生物客服了這些危險——無論它們通過什么形式，那它們也無法在這種環(huán)境中冶煉金屬，這會阻擋它們進(jìn)入科技文明。
而那些比氧氣弱的氧化劑，它們要么需要在濃度很高時才能作為有效的氧化劑，要么能夠用作燃料的材料很少，自然條件下很難找到足夠的燃料。
簡單地說，一顆沒有氧氣的星球上，它們很難找到燃燒這種解決方案，如果沒能找到燃燒這種最簡單獲取更多的能量的方法，那么那些有潛力迸發(fā)智慧的生物憑什么在自然競爭中下勝出。
這項(xiàng)研究的作者在接受媒體采訪時還給出了，最少需要多少氧氣生物才有機(jī)會利用燃燒？
他們的答案是18%，而他們給出的理由是，只有達(dá)到這個濃度，生物燃料才能被點(diǎn)燃，如果低于這個濃度，生物燃料只會悶悶發(fā)熱。
如果一顆行星大氣的氧氣水平無法超過18%，就不會誕生科技文明，他們稱這個為“氧氣瓶頸”。
然而，一顆行星的氧氣真的需要通過生物過程來制造嗎？
行星的非生物氧氣
由于氧氣是強(qiáng)氧化劑，一個天體或者行星在形成的之初，它通常不會有天然氧氣存在，或者氧氣水平極低，氧元素通常以水或者其它的氧化物形式存在。
行星的氧氣基本只能是后期產(chǎn)生的，而且大概率可能會是通過生物過程形成。
所以，如果一顆系外行星被觀察到有較高濃度的氧氣水平的話，那么會轟動天文界，因?yàn)樗袠O大的可能擁有生命。
另外，現(xiàn)在氧氣也是一種最主流的生物標(biāo)志，探測系外行星大氣層中是否擁有氧氣是尋找地外生命的方法之一！
然而，2015年發(fā)表在《科學(xué)報告》上一篇文章指出，行星上可能會存在大量非生物過程產(chǎn)生的氧氣[2]。
這個過程就是二氧化鈦的光催化反應(yīng)，就是在二氧化鈦的催化下，水吸收紫外線轉(zhuǎn)化成[H]+O?的過程。
這個過程會產(chǎn)生氧氣，而不會消耗二氧化鈦，所以如果一顆星球表面擁有足夠多的二氧化鈦和水資源，它就可以通過這個過程持續(xù)產(chǎn)生氧氣。
其實(shí)，二氧化鈦的光催化反應(yīng)產(chǎn)生氧氣的過程和植物的光合作用非常類似，光合作用的本質(zhì)就是在酶的作用下水被光解成[H]+O?，然后[H]在二氧化碳的反應(yīng)中變成了糖，只不過二氧化鈦的光催化反應(yīng)中的[H]可能會經(jīng)歷不同的過程。
△ 二氧化鈦
二氧化鈦并不是罕見的化合物，它在類地行星、隕石和月球表面含量豐富。
這項(xiàng)研究指出，如果一顆行星和恒星的位置類似我們地球和太陽的話，那么只要它表面含有0.05%的二氧化鈦，它就可以持續(xù)發(fā)生光催化反應(yīng)，并產(chǎn)生與當(dāng)前地球大氣中相同水平的氧氣量。
另外，即使在低溫恒星的情況下，行星表面是水冰，那么也只要表面擁有3%的二氧化鈦，持續(xù)光催化反應(yīng)也能維持大氣中氧氣的水平。
最后
大氣層中的氧氣水平可能確實(shí)是迸發(fā)智慧生命的必要條件，但是“大氧化事件”并不是只有生物過程能夠制造。
所以，如果其它星球上沒有類似地球的大氧化事件，也可能迸發(fā)出智慧生命，它們可能完全有別于地球生命演化的程序。
參考：
- [1].https://doi.org/10.1038/s41550-023-02112-8
- [2].https://doi.org/10.1038/srep13977
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