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本文是《自然-化学》元素故事系列的第22篇文章：氧之源 原文作者：美国圣地亚哥加利福尼亚大学化学与生物化学系，Mark H. Thiemen 氧为地质过程所提供的价值连城的线索，极大地推进了我们对地球上的生命演化的理解。然而在氧身上仍然隐藏着打开一些未解之谜的钥匙：在下文中， Mark H. Thiemens 将为您阐明。 早在氧吧带来的时尚潮流之前，第八号元素就具有了自己的“魔力”。和惰性气体具有填满的电子层类似，在原子核中同样存在层级：如果核子数量正好填满了特定的数值，原子核将会获得超出结合能以外的额外稳定性。 在质子或中子数正好是“幻数”，也即2、8、20、28、50、82或126时，就会出现这种现象。氧最常见的同位素168O具有8个质子和8个中子，因而是具有“双幻数”的原子核。氧的丰度正是这一现象的写照：在整个宇宙中，氧是第三多的元素，只排在氢和氦之后。 在恒星中，质子和中子通过核合成形成原子核，而四个氦-4原子核则会通过一个两步反应合并成为碳-12——先是两个氦-4形成铍-8，然后再和第三个氦-4发生聚变。然后碳-12会再与下一个氦-4进行核融合，转化为氧-16。 来源： © ISTOCKPHOTO.COM/JKLR 氧在元素周期表中位于第二周期VIA族；这是一种具有极高反应活性的非金属原子，能与几乎所有其他元素形成化合物。 氧在宇宙中的丰度，加上它的化学性质，使它得以参与包括从组建和保护星球（作为硅酸盐材料的一部分，以及形成臭氧层）到构成生命（DNA，蛋白质，脂质和碳水化合物），还有新陈代谢（光合作用和呼吸作用）在内的各种过程。 地壳，地幔，大气层，地表水，以及生物库：在地球上，氧无所不在；将这些氧库联系起来的是氧交换，而作为主要温室气体的二氧化碳则是这一过程中的重要中介。 氧气漫长而有趣的历史开端，是1773年舍勒（Carl Wilhelm Scheele）在乌普萨拉第一次发现了它、以及两年后普利斯特里（Joseph Priestley）在其著作中描述了它。 拉瓦锡（Lavoisier）为确认氧化和燃烧过程中氧气所扮演的角色做出了主要的贡献——同时他也是氧（Oxygen）的定名人：这个名字是由希腊语词根oxys（酸）和-genes（创造）组成的，因为他认为所有的酸都含有氧。 氧在文明史的各个角落都参与了演出，从能量的产生（无论是通过水循环还是作为通用氧化剂）到农作，以及作为织物和陶瓷、还有药物的成分之一。 而如果再往古回溯，氧与生命的起源与演进也有着紧密的联系。在前寒武纪，当时的大气氧含量要明显低于现在——很可能少于现在的0.1%，但这点很难精确定量。 利用多种硫同位素进行的测量表明，这个低氧含量时间段大致存在于38亿到27亿年之前。直到略微晚些时候（大概22亿到25亿年之前）“大氧化事件”发生之后，大气氧含量才骤然提高；这一事件主要归功于蓝藻的活动造成了氧的氧化价态变动和在矿物中分布的明显变化，其结果之一便是遍布全球的条带状含铁建造（Banded Iron Formation）的形成。 对氧同位素(16O, 17O和18O)比例的测量是解析自然过程的利器。从尤里（Harold Urey）实验室的工作派生出了海洋生物碳酸盐分析法，这一方法被用于定量分析地质时间尺度上的海洋温度变化。 类似地，利用道尔（Malcolm Dole）效应，也即大气与水环境之间16O和18O分布的不同，我们可以通过对大气中的氧进行测量，来获得海生与陆生生物在全球光合作用及呼吸作用中的贡献、及其随时间流动而产生的变化。 早在1973年，我们就已经知道，太阳系中最古老的物体——“碳质球粒”陨石中的富钙铝包体——中所含有的氧，其同位素之间的比例是与传统的同位素效应所能产生的结果相矛盾的。 十年之后的实验表明，这一结果可能是因为受到同位素的光化学自屏蔽影响，或者由依赖于对称性而非传统的质量效应的、可以产生类似的异常同位素分布的化学反应所导致的。 然而，就在最近，对起源号探测器收集的太阳风样品的分析表明，其同位素分布和陨石中的并不相同，而这种太阳风可以反映出太阳系内主要氧储量的同位素构成。 这意味着太阳内的氧同位素分布实际上可能并不能反映陨石和类地行星上最初的同位素分布情况。因而，这种星云中氧最初的构成比例、以及这些天体接下来是如何产出现在我们所见到众多类地行星和陨石的，仍然是一个未解之谜。ⓝ 原文以Oxygen origins为标题 发布在2011年12月15日的《自然-化学》In Your Element上 nchem|doi:10.1038/nchem.1226 版权声明： |
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