一 从水里夺电子
你吸进去的每一口氧气，都是从水里拆出来的。1941 年，有人给水做上记号，换进一种较重的氧，交给一种绿藻去用，结果绿藻放出来的氧也带着这个记号。
植物，藻类和蓝细菌把水分子拆开，拿走里面的电子，剩下的氧被当作废物排进了空气。今天的光合生物产氧极快，大约四千年，就能把大气里的氧全部换一遍。
可在很长的时间里，地球大气几乎没有氧。大约二十四亿年前，氧才第一次显著多了起来，地质学家管这件事叫大氧化事件。这一篇讲的，就是这种废物怎样改写了一整颗星球。
先说为什么要拆水。光合作用最难的一步不是采光，是找电子。光合作用要做的事，是把二氧化碳变成有机物，而这一步的本质，是给二氧化碳"加电子"。
二氧化碳里的碳处在一种缺电子的状态，而糖里的碳处在一种富电子的状态。要把前者变成后者，必须从某个地方弄来电子塞进去。所以任何光合作用都要回答同一个问题：电子从哪来。
光在这里的作用不是提供电子，是提供把电子从某处拔出来所需的力气。现存的不产氧光合细菌，拿电子的地方各不相同——硫化氢，单质硫，氢气，二价铁，或者某些有机物。它们很多是紫色或绿色的，有的能把一池水染成紫红。
这些东西有一个共同点：它们本来就抓不紧自己的电子，拿走不需要多大力气。水不是。水抓自己的电子抓得非常紧。把不同物质"愿不愿意交出电子"排成一列，水在最不愿意的那一端附近，而硫化氢，二价铁，氢气，都排在容易得多的位置上。
可这些好拿的电子供体都不多，只在火山口，温泉，冒硫化氢的地方才有。谁要是学会了从水里拿电子，就再也不愁原料：水到处都是。
靠硫化氢的细菌只能守着几处泉眼，蓝细菌却可以漂满整片海洋。蓝细菌过去叫蓝藻，夏天湖面上那层绿油油的水华，很多就是它们。
所以从硫化氢里拿电子的光合细菌，和从水里拿电子的蓝细菌，做的不是难度相近的同一件事。蓝细菌身上负责拆水的那套装置，叫光系统二。它在一瞬间造出的抢电子的能力，是已知生物体系里最强的一档。而这还只是第一道坎。
第二道坎是数量。从两个水分子里抽出电子，放出一个氧气分子，一共要抽走四个电子，同时还要放出四个质子，并且把两个氧原子接成一个氧气分子。而光子是一个一个来的，一次只能提供一份力气。
这就像用一把只能撬一次的撬棍，去撬一件需要同时抬起四个角的东西。所以必须先攒。现代系统的办法是分期付款：把四次光化学氧化逐次存储在一个金属簇上，攒够四个，再一次性把氧气释放出来。
这件事最早是从一组闪光实验里看出来的。1969 年，法国的研究者把光合材料放在黑暗里，然后一下一下地打很短的闪光，每闪一次，量一次放出多少氧。头两闪几乎不出氧，第三闪出得最多，此后每隔四闪一个高峰——第七次，第十一次——峰越来越平。
次年，荷兰出生的美国生物物理学家科克把它整理成一个逐级积累的循环，解释了为什么需要连续四次光化学事件，才能完成一次从水到氧气的转变。研究者至今管它叫科克循环。
那个负责攒电荷的金属簇，由四个锰，一个钙和五个氧组成。它的样子是分几步看清楚的。2011 年，日本的研究者终于把它拍得足够清楚：这十个原子搭成了一把歪扭的椅子。
后来又有人用极短的射线闪光，赶在它被射线打坏之前拍下了它，看它在攒电荷的各个阶段怎样变形。搞人工光合作用的研究者，几十年来一直想仿造它：用便宜的金属，在常温下把水拆开。自然界做成这件事，只用了四个锰和一个钙。
这个簇从哪来，没有唯一答案。有人认为最早的光合细菌先学会了从水里的锰那里拿电子，锰就这样被蛋白一点点收编进来。还有实验显示，今天的光系统二在光照下，能从水里的锰离子自己装配出这个簇——如果早期也是这样，就不需要一个现成的专门前身。
产氧光合作用还需要两个光系统串联。顺序上排在前面，负责把电子从水里拔出来的，反倒叫光系统二，因为它是后被发现的。
电子送到排在后面的光系统一，再吸收一次光子，被第二次抬高，形成足够强的"给电子的能力"，最后交给二氧化碳。一次抬不够，所以抬两次。
现存的不产氧光合细菌一般只有一个光系统。它们的电子供体本来就好拔——从硫化氢里拿电子，不需要抬那么高，一次就够。所以一个光系统还是两个，取决于你打算从哪里拿电子。
两个光系统是怎么凑到一起的，有几种说法。一种说祖先本来两套都有，后来多数谱系各丢了一套。一种说是从不同的细菌那里分别拿来，再拼到一起。几十亿年的丢失和转手，让今天的基因树两种读法都说得通。
不管是哪一种，约束是同一个：电子从哪来，决定了需要几级抬升，需要多强的氧化剂，以及会排出什么。蓝细菌排出的，是氧。植物和藻类后来也会这一手，是因为它们把蓝细菌整个收进了自己的细胞——这件事第五篇会讲。
二 一个信号消失了
怎么知道几十亿年前的大气变了。最要紧的那条证据，藏在硫里。先说同位素。
同一种元素可以有重量不同的版本——原子核里的中子数不一样。它们化学性质几乎相同，只是有的重一点，有的轻一点。而在大多数物理和化学过程里，轻的那一种跑得稍快，反应得稍容易。
于是经过某个过程之后，产物里轻重两种的比例会发生偏移。关键在于：这个偏移的大小，通常和"重了多少"成正比。
硫有几种版本，分别是三十二，三十三，三十四，三十六。如果硫三十四相对硫三十二偏移了某个量，那么硫三十三相对硫三十二，应该偏移大约一半——因为它多出来的重量只有硫三十四的一半。
这条规律叫质量分馏。它极其可靠，几乎所有寻常过程都遵守。而"非质量分馏"，名字听着拗口，意思就是不按重量走：硫三十三或者硫三十六明显偏离了那条按质量缩放的线。
这种不合规矩的分馏，第一次在实验室里造出来，是 1983 年。美国化学家蒂门斯用放电造臭氧，发现造出来的臭氧里，几种氧的比例偏得不按质量走。十七年后，他和实验室里的两位同事在古老岩石的硫里找到了同样的偏差，把这件事搬进了地质史。
那么什么过程会不合规矩。目前的解释是：紫外线打在二氧化硫上。在极低氧，没有臭氧遮挡的大气里，短波紫外线可以一直打到含二氧化硫的大气层。而不同硫版本的二氧化硫分子，吸收光的细微结构并不是简单按质量缩放的——于是被光打散的比例出现了不按质量走的差异。
这些产物分别进入海洋的不同硫库，最终被沉积物保存下来。要测出这点偏差，得把岩石里的硫提出来变成气体，送进仪器里按重量一种一种分开来数。
2000 年，这三位研究者发现，约二十四亿五千万年前以前的岩石里普遍有这种不合规矩的硫，而且偏得很大，之后的岩石里偏差一下子变小，约二十亿九千万年前以后就测不到了。这是大气变了的最硬的一条证据。
信号消失这件事，有两个不同的环节。第一，氧一多，大气里的硫不管原来是哪一种，最后都被氧化成硫酸盐这一种东西落下来。
本来分几条路走，各带正负偏差的硫，混进了同一个池子，偏差互相抵消。氧再多一些，臭氧还会挡掉那一段紫外线，工厂干脆停了。
第二，氧化性的大陆风化增大了海洋里的硫酸盐总量。即使仍有少量带异常的硫进入海洋，也更容易被一个庞大的，已经走过寻常路的硫库稀释掉。记录被冲淡了。
不管是抵消，稀释，还是干脆不再产生，它们在岩石里留下的结果一模一样：测不到。所以这个信号能说的是：只要它还在，大气里的氧就极少，模型给的上限大约是今天的十万分之一。它一消失，只说明氧超过了这个量，说不出超过了多少。
其他证据各有各的道理，也各有各的盲区。有几种矿物，比如俗称愚人金的黄铁矿，还有一种含铀的矿物，碰到含氧的水就会被氧化分解。
如果古老的河沙里有这些颗粒，而且被水磨圆了，说明它们一路被冲刷搬运，却没有被氧化——那时沿途的水和大气，氧化能力很低。在今天的河里，这样的颗粒走不了多远就会被氧化溶掉。南非有一片二十八亿年前上下的古河床，是这类矿物的经典产地，那里也是世界上出金子最多的地方。
还有红色的岩层。岩石发红，多半是颗粒表面裹了一层铁锈一样的东西，而生锈要有氧。2024 年有人研究加拿大一套古老的岩层，从石英颗粒表面的那层铁锈判断它是当时就生成的，把较可靠的早期陆上红层放到约二十三亿一千万年前。只是铁锈也可能是很久以后地下水带来的，所以红色本身不能证明沉积当时的大气。
还有一种有名的岩石，一层红一层黑，像千层糕，叫条带状铁建造，全世界大部分铁矿石都出自它。西澳大利亚的哈默斯利山区，一整片一整片的山崖都是这种一层红一层黑的岩石。它记录的是海里大量溶解的铁被氧化，沉了下来。
可把铁氧化的不一定是大气里的氧：可能是表层海水里蓝细菌就地产的一点氧，可能是某些不产氧的细菌直接拿铁当电子供体，也可能是阳光里的紫外线。所以一层铁矿，不等于一个有氧的大气。不管是谁氧化的，这些铁今天都在我们身边：炼钢用的铁矿石，很大一部分就是二十多亿年前从海里沉下来的这种铁。
古土壤，也就是埋在岩层里的古代土壤，靠的是另一个差异。无氧风化时，铁容易被水带走。有氧风化时，铁变成铁锈留在土里，今天南方那种砖红色的土，就是这个样子。
所以一个古土壤剖面里铁是流失了还是留住了，可以指示当时的大气。约二十四亿四千万年前以前的古土壤，铁普遍流失了，换算下来，当时的大气氧大约不到今天的千分之二点四。这个数要靠模型换算，得假设当时的降雨，排水，温度和土壤形成的时间。
还有几种金属——铬，钼，铀，硒——各自对氧化的不同侧面敏感：有的看陆地风化，有的看海底缺氧的面积，有的看局部的氧化。它们并不总是一致。这不奇怪，因为它们测的本来就不是同一件事。同一个年代，一个指标有信号而另一个没有，可能反映的是真实的空间差异，而不是必然有一个指标错了。
三 氧气是怎么进门的
二十四亿年前，地球上只有微生物，陆地上光秃秃的，海里没有一个动物。把这段历史拼出轮廓的人里，影响最大的是美国地质学家克劳德。二十世纪六七十年代，他注意到条带状铁建造大多比二十亿年前老，而陆上的红层大多比它年轻，于是提出：大气曾经从无氧变成了有氧。
氧气进入大气，不是一天的事，也不是一次的事。把现在能拼出来的经过按顺序讲一遍，大致是这样。
先是蓝细菌学会了拆水。这一步发生在什么时候，本身就在争。有人从基因推算，说早在三十亿年前，甚至更早。也有人指出，蓝细菌最近的一些亲戚至今一个会光合的都没有——其中一支，2013 年在人的肠道和地下水里被找到——拆水的本事可能是后来才拼齐的。
岩石里确实有一些比大氧化早的氧气痕迹。西澳大利亚有一套约二十五亿年前的黑色页岩。2004 年，美国航天局资助的一个项目在那里打了一口钻，取出新鲜的岩芯，2007 年有人在里面测到了钼和铼的富集。
这两种金属要先被氧气从陆地的岩石里"洗"出来，才进得了海。几年后又有人在同一套岩层里测到了硒的异常，不过那项研究也说，氧气可能只是在局部的陆地上产生的，不一定已经进了全球的大气。更早的候选，还有约二十六亿六千万年前的一套地层。
这些"氧气的气息"本身也在争。2022 年有人用更精细的微区分析重新检查那套页岩，认为钼可能来自火山灰，那些信号也可能是岩石埋深受热，或者很久以后被氧化时才造出来的。原作者回应说，这些后期作用解释不了全部信号。争论还在继续。
就算蓝细菌早就在产氧，大气也不会马上有氧。这有点像往一只底下有洞的桶里倒水：火山喷出的还原性气体，海里溶解的铁，岩石里的硫化物，都在不停地吃掉新产生的氧。
只有产氧的速度长期超过这些洞漏掉的速度，氧气才攒得起来。在蓝细菌密集的浅水里，氧可能早就一片片地冒了出来，研究者管这种地方叫氧气绿洲，可绿洲之外，还是无氧的世界。
而且攒起来的方式不是匀速的。2006 年的一个大气模型显示，氧气少于今天的十万分之一左右时，大气可以一直稳定地停在低氧状态。
再多一点，就能造出一点臭氧，臭氧挡住紫外线，大气里那些靠紫外线推动，拿氧去烧甲烷的反应慢了下来，氧的寿命一下子变长，整个大气就跳到了高氧的那一边。产氧可以增加很久，大气却一直不动，然后突然翻过去。
至于那些洞后来为什么变小了，有好几种解释。一种看火山：早期更多的火山在海底喷发，喷出的气体更还原，后来陆上的火山多了，吃氧的气体就少了。
一种看镍：地幔慢慢变冷，喷出来的富镍岩浆越来越少，海里的镍跟着减少。产甲烷古菌造甲烷的酶离不开镍，镍一少，甲烷这个吃氧的大户就弱了下去。营养元素也可能卡着产氧的速度。这些解释不互斥，争的是哪一个决定了翻过去的时间。
真正的翻转发生在约二十四亿到二十三亿年前。南非三口同期钻孔的岩芯，把那个硫信号的消失定在约二十三亿三千万年前，而且消失得很快，可能只用了一百万到一千万年。
另一些研究把第一次变化放得更早，在约二十四亿三千万年前附近。日期差着一亿年，一部分可能是因为各家量到的是这件事的不同阶段，一部分是因为各地岩层的年代怎么定，怎么对比，至今还有分歧。
这些日期是怎么定出来的。岩层里常夹着薄薄的火山灰，灰里有一种叫锆石的小晶体。锆石结晶时会收进一点铀，却几乎不收铅，而铀会以固定的速度变成铅。量一量晶体里铅和铀的比例，就知道它结晶了多久，好的测量误差只有一两百万年。
翻过去以后，也没有一下子站稳。2021 年，英国利兹大学的波尔顿等人报告，大气在约二十四亿年前第一次跨过门槛之后，又好几次退回低氧，来回折腾了约两亿年，到约二十二亿二千万年前才永久站住。
这段时间里，地球还经历了好几次冰期。加拿大休伦湖北岸的古老岩层里，至少保存着三层冰川留下的碎石。
冰川的证据很好认：细细的泥层里突然嵌着一块大石头，最常见的解释是漂在水上的冰化开，把石头丢了下去。这几层冰碛，时间在约二十四亿五千万到二十二亿二千万年前之间。
南非的一次冰川，沉积的时候可能离赤道不远。冰要是能一路推到赤道，整颗星球就近乎冻成了一个雪球，地质学家管这种情形叫雪球地球。
早在 2000 年前后，就有人把这几件事串成了一条链。早期大气里甲烷很多，而甲烷保温的本事，按每个分子算比二氧化碳强得多。
蓝细菌产出的氧把甲烷破坏掉，温室一减弱，地球就冷了下去。2005 年又有人把它推到头：说蓝细菌正是在那时才学会产氧，一出现就把地球推进了雪球。只是没有冰芯可以直接测二十四亿年前的甲烷，甲烷有多少全靠模型推算。
先后顺序这几年也有修订：2020 年有人认为，可靠的氧化信号先于关键的那次冰期，这条链在时间上说得通了。可先后说得通，不等于因果已经证明。
站稳之后，氧气还冲过了一次头。约二十二亿二千万到二十亿六千万年前，全世界的碳酸盐岩里，碳都变"重"了，这是地质史上幅度最大，持续最长的一次这样的偏移。
一种解释是：大量有机物被埋进地下，轻的碳跟着被带走，重的碳留在海里，同时留下了多余的氧。于是有人提出，那段时间的氧气曾一度远高于后来。
然后是回落。被埋下去的有机物后来又被重新翻出来氧化，把多出来的氧吃了回去。2019 年有一项研究，根据约二十亿一千八百万年前的一种硫酸盐矿物推算，那次过冲结束之后，全球的光合生产可能下降了八成以上。
此后十多亿年，氧气一直停在低位。有人根据铬同位素认为，那时的大气氧可能还不到今天的千分之一，也有人认为在百分之一上下。
这段时间地球上的变化少得出奇，地质学家干脆管它叫"无聊的十亿年"。它到底无聊不无聊，第七篇会专门讲。第五篇要讲的真核细胞，就是在这段时间里站住脚的。
四 氧气为什么有毒
氧气对当时的生物做了什么。先说一件身边的事：往伤口上倒双氧水，会冒出一片白沫。那是伤口里的一种酶，在把过氧化氢飞快地拆成水和氧气——双氧水就是过氧化氢，比水多一个氧。身体里备着这种酶，是因为过氧化氢是氧气的副产品，留着会伤细胞。
氧气本身其实不太爱直接和有机分子反应。麻烦出在它被一步一步加上电子之后变出来的几种东西——超氧，过氧化氢，羟基自由基，统称活性氧。
呼吸链和许多酶在电子发生泄漏时，就会不断生出前两种。放射线伤人，很大一部分也是先把细胞里的水打出这一类东西。
它们的破坏力可以具体到部位。超氧尤其会攻击酶里那些由铁和硫搭成的小零件，酶一坏，里面的铁就被放了出来。
而过氧化氢遇到游离的铁，会生成反应性极强的羟基自由基——它几乎在生成的位置附近就攻击 DNA，蛋白质和膜。所以防护不能指望等羟基自由基生成后再躲开，而要尽早清除超氧阴离子和过氧化氢，减少它生成的机会。
今天的细胞有一整套拦截的办法：一种酶把超氧转成过氧化氢，另一种把过氧化氢拆成水和氧气——就是伤口上冒泡的那一种——还有修复 DNA，把铁收起来的一系列装置。人血里的铁，几乎都被蛋白紧紧抱着，很少让它单独游离，道理就在这里。
那种把超氧变成过氧化氢的酶，至少有三个彼此无关的家族：含铁和含锰的是一家，含铜和锌的是一家，含镍的又是一家。同一个问题，不同的谱系各自想出了办法。不同生物怕氧的程度，也因为这些装置和膜的组成不同而差得很远。
有意思的是，这套家底有一部分在氧气变多之前就有了。2021 年的一项分析认为，蓝细菌的这类酶里，大多数的历史早于大氧化，另有两种拆过氧化氢的酶和含镍的那一种，大约在二十五亿到二十三亿年前才出现。这说得通：大氧化之前，局部就有蓝细菌产的氧，阳光里的紫外线也能在大气和水里造出少量过氧化氢，无氧的代谢本身也会制造氧化压力。
毒药后来也变成了燃料。有些微生物学会了反过来用它：把从食物里拿出的电子，最后交给氧。氧抢电子的本事极强，电子落下去的那一段落差特别大，能攒下的能量也就特别多。
这就是有氧呼吸。今天用氧呼吸的酶有一个大家族，有人从它们的分布推测，最早的成员可能比大氧化还早，在氧气绿洲里就已经派上了用场。
可氧对我们也不全是好东西。二十世纪四五十年代，医院曾给早产儿的保温箱输入高浓度的氧，后来发现这造成了许多孩子失明。潜水员带着高浓度的氧潜得太深，氧气本身就可能让人抽搐。
有的生物根本受不了氧。1861 年，法国人巴斯德研究丁酸发酵——变质黄油那股酸臭味就来自丁酸——发现干活的那种微生物一通空气就死。两年后，他给这种生活造了一个词，字面意思是"没有空气的生命"，厌氧这个词就是这么来的。
今天它们也没走远。破伤风杆菌就是一种厌氧菌，它的芽孢混在泥土里，最容易在深而窄，或者有坏死组织的伤口里繁殖起来。
被钉子深深扎伤，需要及时就医处理，是否需要疫苗或免疫球蛋白则要看伤口和既往接种史。铁锈本身不是病因；污染以及深处缺氧的条件，才让这类伤口尤其值得警惕。肉毒杆菌也怕氧，出事多半出在自家做的罐头，腌菜和发酵食品里：封得严实，里面没有氧，加热或者腌制又不到位，芽孢就活了下来。实验室里培养这类细菌，得用专门的厌氧箱，里面灌的是氮气和一点氢气，人隔着一副橡胶手套伸手进去操作。
对这些严格厌氧的生物来说，地表和浅水变得有氧，等于家门口多了一样毒药。它们的地盘必然收缩，有些谱系很可能就此消失。
可到底消失了多少，算不出来。常见的说法是"氧气大灾难"，甚至说百分之九十几的生命因此灭绝。这个说法有一部分来自一本很有名的科普书：1986 年，马古利斯和她的儿子萨根合写的那本书里，有一章就叫"氧气大屠杀"。
这样的数字没有数据撑腰：灭绝率要有分母，得先数清原来有多少个物种，而那时的微生物化石往往只是一个个小球，看不出它是一个物种还是十个，第一篇讲过的那些三十多亿年前的微化石也是这样。连"一个"是什么都定不下来，这个比值就不是测不准，是没有定义。
第三节那次光合生产下降八成，也不能直接换成八成的物种灭绝。一片森林少长了八成的叶子，不等于八成的树死了，更不等于八成的树种消失了。
五 厌氧生物圈在哪里
要记得，大氧化之前，地球上所有的生命都是在无氧的世界里长出来的。今天的厌氧微生物，过的还是祖先的日子。
厌氧生物圈没有消失。它存在于"氧送进来的速度赶不上被消耗的速度"的每一个地方。
最近的例子在脚下。挖开海边或者池塘的淤泥，往往表面是褐色，往下几厘米就变黑发臭，那一层就是厌氧微生物的地盘。
有机物在沉积物里分解，迅速耗掉扩散进去的氧，往下依次轮到用硝酸盐，金属，硫酸盐来"呼吸"的微生物，最底下是产甲烷的古菌。靠造甲烷过日子的，整个生命之树上只有古菌，而它们体内那套酶碰到氧就坏。别的生物也能顺带放出一点甲烷，可量要小得多。
那股臭鸡蛋味，就是用硫酸盐呼吸的细菌排出的硫化氢。泥发黑，是硫化氢和铁结成了黑色的硫化铁。
深部大陆地下的岩石裂隙，含水层和沉积盆地的孔隙，是另一片巨大的无氧栖息地。2018 年有人根据全球的地热，温度，岩性和实测的细胞浓度推算，大陆地下约五千米以内，住着约二到六乘十的二十九次方个细胞。
南非一座金矿地下约两千八百米深的裂隙水里，2008 年有人发现，那里几乎只住着一种细菌，自己撑起了一个完整的生态系统。它靠岩石里的放射性把水分解出的氢气过活，用不着阳光，也用不着别的生物。
研究者借了凡尔纳小说里的一句拉丁文给它起名，意思是"大胆的旅行者"。地下的细胞大多活得极慢，有的估算说，那里的一个细胞要几百年甚至上千年才分裂一次。海底几百米深的泥里，有机物是几百万年前沉下去的，那里的细胞就靠这点陈粮过活。
动物的消化道也是一套持续缺氧的环境。牛羊的瘤胃——牛那四个胃里最大的一个——和许多动物的结肠里，微生物活动耗掉了进入的氧气，住满了严格厌氧的细菌和产甲烷古菌。
牛打的嗝里有甲烷，就是它们造的，一头牛一年能打出近百公斤。人的大肠里，细菌也大多是厌氧菌，数量和人体自己的细胞差不多。
永久分层的水体能保留大片的无氧水。黑海是世界上最大的无氧水体，一两百米以下的水里没有氧，满是硫化氢。
2017 年，一个考古项目用遥控潜水器在那里的海底找到一艘约两千四百年前的古希腊商船，第二年公布，桅杆和船舵都还在。它躺在两千多米深的海底。
这里不是大气的氧没有到达，是水体分层，氧补不上有机物分解的消耗。湖里也一样：夏天的水华一死，被分解时会耗光水里的氧，湖水发臭，鱼成片死掉——产氧的生物，也能造出一湖缺氧的水。
热液系统同样不是统一的有氧或无氧。高温，还原性的热液和海水不同程度地混合，形成强烈的梯度，其中的低氧区域养着产甲烷，硫酸盐还原和靠氢气过活的微生物。有一种从热液口采来的产甲烷古菌，在一百二十二摄氏度下还能繁殖，是已知最耐热的生命之一。
它有多大。这个问题的答案，二十年里被改过好几次。1998 年，美国微生物学家惠特曼等人做了一次经典估算：全世界的原核细胞约四到六乘十的三十次方个，其中海底以下住着的极多。由此"地下的微生物可能和地面上的植物差不多重"成了流行多年的说法。
2012 年，有人汇总了五十多处深海钻探点的实测数据重新推算，海底那一项被砍掉了九成以上。靠的不是新仪器，是采样把离陆地很远，细胞极少的大洋中心海区也算了进去。
2018 年那项大陆地下的估算，顺带把全世界的原核生物重算了一遍，只有约二百三十亿到三百一十亿吨碳，是早先估计的四分之一到十分之一，也只有第八节那组数字的三四成。全球的细菌和古菌，估计大部分住在地下，而这一项的误差也最大——最难采样的，恰恰是体积最大的那个环境。
严格厌氧的代谢，至今仍在全球尺度上运行。在人类排放的温室气体里，甲烷的作用仅次于二氧化碳，今天全球每年排进大气的约有六亿多吨。
天然湿地约一亿六千万吨，牛羊这些反刍动物连同粪便约一亿一千多万吨，稻田约三千多万吨——稻田灌满了水，泥里缺氧，产甲烷古菌就在稻根周围忙活。按常见的估计，这些甲烷约七成出自微生物之手，主力是产甲烷古菌。
海底的可燃冰，里面的甲烷大多也是泥里的古菌造的。反过来，海底还有一类古菌专门吃甲烷，和细菌搭伙，在无氧的泥里把往上冒的甲烷大部分拦了下来，没让它们跑进大气。
六 一份废弃物，和一份矿物清单
氧气对这颗行星做了什么。可以说，整个地表在那次事件里生了一回锈。最出人意料的一个答案，在矿物里。
那些颜色鲜艳的铜矿石，孔雀石的绿，蓝铜矿的蓝，都是铜被氧化以后才长出来的。没有空气里的氧，地球上就不会有它们。中国画里的石青，石绿，就是把这两种矿石磨成的颜料，敦煌壁画上的蓝，有不少出自石青，绿色用得最多的则是氯铜矿——同样是铜被氧化以后才长出来的矿物。
自由女神像是铜皮做的，刚立起来时是铜色，在纽约的空气里二十来年就变成了绿色。那层绿，主要是铜和氧，水，空气里的硫，还有海风带来的氯一起造出的新矿物。
2008 年，美国矿物学家黑曾的团队把这件事推到了整颗星球的尺度，提出了"矿物演化"的说法。这个词乍听像个玩笑，矿物又不会繁殖，怎么演化。
他们的意思是，矿物的种类会随着地球的历史一步步变多：地球刚形成的时候，能长出的矿物种类要少得多。生命把地表氧化之后，铁，铜，铀，锰这些元素才大量进入更高的价态，和别的元素组合出新的晶体。
这里说的不是生物直接长出晶体——那是贝壳，骨头和牙齿——而是生命改了环境，让矿物自己长出来。按黑曾他们的估算，月球这样干燥的星球最多只能长出三百五十种上下的矿物，地球上已知的却有六千多种。差的那一大截，和水，和板块运动有关，也和生命有关。
他们当时估计，已知矿物的三分之二以上，直接或间接是生命改造地表的结果，其中最大的一环就是这次氧化。黑曾在 2010 年一篇面向大众的文章里写道：二十多亿年前的那次氧化，让两千五百多种新矿物在化学上成为可能，其中许多是岩石风化后的产物。
后来他们自己把账算得更细。数据库扩大以后，他们给每种矿物标上所有已知的形成途径，结果是：约两千七百种矿物，差不多占一半，可以经由和生命有关的过程形成，可离开生命就一定长不出来的，只有约一千九百种，占全部矿物的三分之一左右。
另有约八成的矿物，形成时有水参与。同一个团队，十几年里把一个大胆的说法，拆成了三个问得更准的问题。那份矿物名录本身也在长：2008 年约四千三百种，2022 年约五千八百多种，如今已经过了六千种。
氧化还改写了大陆送进海里的东西。岩石里的硫化物被氧化，变成硫酸盐流进海里，海里的硫酸盐因此越积越多。
而这个越来越大的硫酸盐库，反过来冲淡了第二节那个"不合规矩"的硫信号——信号消失的第二个环节，就是这么来的。氧气自己抹掉了自己进门的证据。正是大氧化留下的东西，让"大氧化何时发生"这个问题变难了。
铀，铬这些金属也换了价态，变得能溶在水里，被河流带走。这件事留下过一个惊人的后果。1972 年，法国人在非洲加蓬的奥克洛铀矿里发现，那里的铀里能裂变的那一种少得反常。
追查下去，原来约二十亿年前，这片矿床在地下自己发生过核裂变，断断续续烧了几十万年。能烧起来，前提之一是铀先被含氧的水溶解，搬运，再在一处聚集起来。没有大氧化，就没有这座天然的核反应堆。它至今是已知唯一的一处。
氧气也不是只会往海里送东西：新生成的铁锈对磷有很强的吸附力，会把磷重新抓住。磷是造遗传物质和能量货币都少不了的元素，海里磷一少，光合作用就被卡住。
高空的臭氧，也是从这时开始有的。今天的臭氧层，要是压到地面的气压下，只有约三毫米厚，挡住的是紫外线里最伤 DNA 的那一段。臭氧由氧气在阳光下变出来，所以一点点氧就能造出一点臭氧，足以改变大气里的化学。
可要挡住足够多的紫外线，让陆地表面适合生命晒太阳，需要的氧要多上约一千倍，大约是今天的百分之一。2022 年的一个新模型还认为，低氧时的臭氧层可能比旧模型算的更薄。
大气有了氧，深海却迟迟没有跟上。此后十几亿年，海洋像一块千层糕：表层有氧，下面无氧。1998 年有人提出，那时的深海大片发臭，满是硫化氢。他的一条理由是：条带状铁建造在约十八亿五千万年前前后基本停止了沉积，好像海里的铁一下子被什么东西收走了，而硫化氢正好能把铁沉淀掉。
后来的研究发现，更多的深水其实富含溶解的铁，发臭的主要是生产力高的近岸和边缘海。大气已经有氧，深海仍然无氧，这两件事共存了很长时间。今天的黑海，就是这种海洋的一个小样本。
七 三档不同强度的主张
有一句话流传极广：氧气使复杂生命成为可能。这句话里其实压着三个强度不同的说法。
先看能量数字。发酵是在没有外部电子受体的情况下产生能量的办法。典型的糖酵解接乳酸或者乙醇发酵时，一分子葡萄糖的净收益是两个能量货币分子。
完整的有氧氧化，现代教科书数值常写约三十到三十二个。很多人中学背过的三十六到三十八，属于较理想化的旧计算。
所以按一分子葡萄糖算，有氧呼吸的收益大约是发酵的十五倍。百米冲刺时，肌肉来不及等氧，一部分能量靠发酵顶上，来得快，却撑不了多久。
不过这个倍数只是和发酵比。厌氧呼吸也有电子传递链，可以用硝酸盐，硫酸盐，三价铁作末端电子受体，能量收益在很多情况下高于发酵。能量差异的根源也不是氧气"携带"了什么。
是氧气抢电子的能力很强，与有机物之间形成很大的落差。呼吸链把其中一部分保存为跨膜的质子落差，再由第三篇讲过的那台旋转装置造出能量货币。
现在看那三档。第一档：氧气允许某些代谢。这是证据最强的一层。氧气作为高效的末端电子受体，允许高能量收益的有氧呼吸。许多酶反应直接使用氧气。
在完全无氧的环境里，这些具体反应无法按同一路径进行。化学与现代生理都直接支持。我们体内合成胆固醇，就有好几步直接要用分子氧。
第二档：氧气便利某些结构或者生活方式。证据中等，而且高度依赖对象。
2005 年，行星科学家卡特林等人给出了一个强版本的论证：地球上大型的，持续主动运动的，高能量通量的复杂生命，几乎都依赖有氧代谢。因此充足的氧气可能是高能量需求的复杂生命的必要条件。他们的算法之一是扩散：身体要长到几毫米以上，光靠氧从表面渗进去，外面的氧就得足够浓。
这个论证的强项在生理能量学。许多现代高代谢的组织确实不能在完全无氧的状态下长期维持。人的大脑只占体重的五十分之一左右，却要用掉全身约五分之一的氧，断氧几分钟就会受损。
但它证明得最强的是"某些具体代谢和组织功能要求氧"，不是仅凭能量数字就证明了"形态复杂性"这个抽象属性必然有一个统一的门槛。
2014 年的一项实验，直接削弱了"必须接近现代氧水平"的版本。丹麦的一个研究组把一种常见的海绵——没有肌肉，没有神经，靠水流穿过身体过滤食物，是最简单的动物之一——放进极低氧的水里，发现它在相当于今天大气氧水平百分之零点五到百分之四的条件下，照样能活下来。海绵很可能是最早分出去的动物之一，这个结果才格外有分量。
这是一个很清楚的双重结果：它反驳"简单多细胞动物需要接近现代的氧气"，同时不反驳"该海绵仍然需要非零的氧气"。后续对另一种海绵的实验把暴露水平降到约现代水平的百分之零点二五，只观察到相对有限的变化。
这些实验也有局限。现代海绵不是古代生物的生理复制品。实验时间有限。体形，流体运动，食物供应和微生物共生都会改变扩散限制。
第三档：氧气是复杂结构本身的必要条件。如果这个命题指的是所有的"复杂性"，证据最弱。
因为复杂性没有单一的代谢定义，而且某些结构所需的氧量非常低。2020 年有人发现，一种寄生在鲑鱼身上的微小动物，连线粒体的基因组都丢光了，不靠氧气呼吸。它是水母的远亲，只是一辈子都住在别的动物身上。
2009 年，剑桥大学的古生物学家巴特菲尔德提出了一个更强的质疑：如果低百分比的现代氧水平已经足够满足基础多细胞动物的代谢，那么地质记录中"氧气较早存在，而复杂形态较晚出现"之间的那段长时间差，本身就表明氧气不可能是单独的时间控制器。
他还强调生物活动可以改变海洋通气和有机物输送，所以"氧气驱动生态结构"这个因果箭头可能存在反向的反馈。会游泳，会挖洞，会滤水的动物，能把表层的有机物更快地送到深处，改变海水里氧的分布。动物不只是等着氧，它们也在改写氧。
这一方并不主张氧气毫无作用。 他们做的是把两件事拆开：最低生理需求可能很低。而环境中实际的氧输送又受边界层，扩散距离，循环，体形和行为控制。全球大气氧的百分比，与一个具体生物细胞真正得到的氧通量，不是同一个变量。
三档说法，一档比一档强，证据却一档比一档弱。文献里很大一部分争议，正来自把这三档命题用同一句话混在一起。
八 谁多
最后看今天。2018 年，以色列魏茨曼研究所的一组人做了一项全球汇编，用碳的质量而不是湿重，把所有生物放在同一把秤上。结果是：现代地球上所有生物加起来，约五千五百亿吨碳。
其中植物约四千五百亿吨，占八成以上，而且大半是树干里的木头。细菌约七百亿吨，是第二大户，其中大部分住在地下。
真菌约一百二十亿吨，古菌约七十亿吨，原生生物约四十亿吨。动物只有约二十亿吨，不到百分之一，细菌的碳量是它的三十多倍。
动物里，一半左右是节肢动物，大头在海里，是桡足类——一种比米粒还小的甲壳动物——和磷虾这一类，陆上以昆虫为主的只有约两亿吨。鱼类又占了三分之一上下。
再往下看几个数。所有的人加起来约六千万吨碳，大约是细菌的千分之一，全部生物的万分之一左右。人养的家畜约一亿吨，是全部野生哺乳动物的十几倍。野生鸟类约两百万吨，家禽是它们的两倍多。
按细胞数看，微生物的优势更大：全球的细菌加古菌，各家估计在一到三乘十的三十次方个之间。所有生物的"个体数"反倒数不清。美国犹他州有一片颤杨林，四万多根树干底下连着同一个根系，算一个还是算四万个，看你怎么定义。
海里的情况又不一样。会光合作用的那些，在海里总共才约十亿吨碳，靠它们过活的生物却有约五十亿吨，生物量的金字塔是倒过来的。所以"全球生物量被植物占据"，主要是陆地上那个巨大的木头碳库造成的，不能由此推断大多数生态系统都是多细胞生物占多数。
海里数量最多的光合生物，是一种叫原绿球藻的蓝细菌，一毫升海水里可以有十万个上下。产氧的这一门，至今还在海里当家。
现在回到这一篇的构。这个系列说的构，不只是人造的判据：凡是划出边界，决定什么能留下，什么留不下的东西，都算。在这一篇里，它是星球尺度的化学环境：大气的氧化还原状态，海洋的分层，大陆风化送出去的元素清单，以及一份矿物名录。
而改写它的东西，是一份代谢废弃物。产氧的那些细胞没有意图，没有计划。从水里夺电子，对它们的意义是拿到了一个到处都有的电子供体，氧气是被扔出去的那一半。它不是目的，也不是产物，是副产物。一份被排出去的东西，成了后来一切的原料。
这种副产物，今天还被人拿来找外星生命。天文学家盯着系外行星的大气，一颗行星要是长期有大量氧气，很可能说明那里有什么东西在不停地制造它。只是也有不靠生命造出氧气的情形，所以它只能算一条线索。
这件事比"生物改造了环境"具体得多：某个代谢把一样东西当废物排出去，这样东西改变了行星表层的化学，让后来完全不同的过程成为可能。它改了大气的紫外光化学，改了能稳定存在的矿物，改了河流送进海里的元素，改了海洋的分层，还可能触发了一次全球性的冰期。而造出这批建材的那一方，自己并不享用：对产氧的细胞本身，氧气是负担，它会生成活性氧，得靠专门的酶去清除。
蓝细菌自己就吃过这个亏。它们固氮用的那种酶一碰到氧就坏，于是有的蓝细菌在一串细胞里专门分出一些厚壁的细胞，里面关掉产氧，专心固氮。自己排出的废物，自己得躲着。
构装不下，又消不掉的那部分，这个系列叫余项。它不在那些被改写的东西里，在没有被改写的东西里：这一篇的余项，是厌氧生物圈。
它没有被消灭，只是被压缩到了"氧送不进来"的那些地方——沉积物往下几厘米，深部地下的岩石裂隙，动物的肚子，分层水体的深处。氧气没有把厌氧生物赶出地球，只是把它们赶到了氧气去不了的地方，而那些地方加起来，比地表大得多。
它离你也不远。有三到五成的人，呼出的气里能测到甲烷，那是肠道深处的产甲烷古菌造的。你每一口呼吸，用的都是光合生物排出的废物，而你身体里还住着一小片比大氧化更早的世界。
至于它今天有多大，最大的误差恰恰落在体积最大，也最难采样的那个环境上。