地球歷史上經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家還不知道當時發生了什么。

△ 藍細菌

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會光合作用造成的，這種生物就是藍細菌，直到今天它們還是主要的地球氧氣貢獻者。

大約在30多億年前，藍細菌學會利用太陽能將水轉化成氧氣，它們這種獨特的創新取得了巨大成功，取代了那些吸收甲烷的細菌。

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，足足遲到了差不多10億年。

目前的解釋是，藍細菌最初釋放的氧氣被海洋中還原性物質（如鐵）吸收了，直到這些物質消耗完了，它們釋放的氧氣才進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化。

由于利用氧氣在能量代謝中具有顯著的效率優勢——氧氣的高氧化性使得有機物能夠被徹底分解為CO?和H?O，釋放全部化學能，所以真核真核生物就像藍細菌一樣獲得了巨大優勢，并最終產生了復雜生命，以及后來誕生智慧生命。

△ 大氧化事件引發的雪球地球

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，那么還有機會出現智慧生命嗎？

氧氣或是誕生智慧生命的必要條件

2023年發表在《自然-天文學》一篇文章的指出，氧氣是元素周期表中唯一性質剛剛好的氧化劑[1]，沒有氧氣將不會科技文明。

生物要迸發出科技文明，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200萬年前就已經開始利用燃燒帶來的能量，也正是因為學會了利用這種能量，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。

燃燒本質其實是燃料上的電子轉移到氧化劑上，氧氣就是我們大多數燃燒的氧化劑，它在燃燒時接收電子。

有許多化學物質都可以充當氧化劑，但是這項研究沒有找到其它氧化劑合適被沒有科學基礎的原始智慧生物利用。

氧氣是一種很強的氧化劑，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。

那些比氧氣強的氧化劑，可以用強到離譜來形容，例如氟，這是其中一種比氧氣更強的氧化劑，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。

因為在氟氣中燃燒，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境中冶煉金屬，這會阻擋它們進入科技文明。

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智慧的生物憑什么在自然競爭中下勝出。

這項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會利用燃燒？

他們的答案是18%，而他們給出的理由是，只有達到這個濃度，生物燃料才能被點燃，如果低于這個濃度，生物燃料只會悶悶發熱。

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，因為它有極大的可能擁有生命。

另外，現在氧氣也是一種最主流的生物標志，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年發表在《科學報告》上一篇文章指出，行星上可能會存在大量非生物過程產生的氧氣[2]。

這個過程就是二氧化鈦的光催化反應，就是在二氧化鈦的催化下，水吸收紫外線轉化成[H]+O?的過程。

這個過程會產生氧氣，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產生氧氣。

其實，二氧化鈦的光催化反應產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]在二氧化碳的反應中變成了糖，只不過二氧化鈦的光催化反應中的[H]可能會經歷不同的過程。

△ 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，它就可以持續發生光催化反應，并產生與當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，持續光催化反應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是迸發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