地球大气中的氧气从何而来？教科书会告诉你光合作用，但一项发表于《国家科学评论》的新研究发现，硅酸盐熔体在高压下也能像海绵一样吸入巨量氧气，并在上升途中释放。这个隐藏的氧源，可能参与了25亿年前大气氧含量的第一次跃升。而破解这一谜题的关键，正是当前炙手可热的AI工具。
氧气起源：不止光合作用一种答案
地球大气中约21%的氧气是生命繁盛的基础，而绝大多数人都会毫不犹豫地把氧气的来源归功于光合作用。从蓝细菌到森林树木，光合作用确实是地表氧气的主要生产者，但这一叙事未必完整。地质记录显示，在约25亿至20亿年前，大气氧含量经历了戏剧性的第一次大幅攀升，史称“大氧化事件”（GOE）。问题是，光合作用至少在30亿年前就已经出现，为什么氧气浓度会迟滞数十亿年才跃升？
科学家们提出了诸多假说：大陆面积扩大、有机碳埋藏效率提升、微生物演化出产氧光合作用等。然而，这些模型大多聚焦于地表碳循环与生命过程，很少考虑地球深部是否可能直接“呼出”氧气。在传统地球化学框架中，氧被认为是强结合元素，它只与硅、镁、铁等阳离子形成固定的氧化物结构，而不会像水、二氧化碳那样以独立挥发组分溶解在岩浆中。这意味着，岩浆即便喷发到地表，也只会释放水蒸气和二氧化碳，氧气似乎根本不在“菜单”上。
但这一默认假设真的无懈可击吗？北京高压科学研究中心（HPSTAR）的林彦好研究员与毛河光院士，联手西北工业大学牛海洋教授及阿姆斯特丹自由大学Wim van Westrenen教授，决定用实验来回答这个问题。他们合成洋中脊玄武岩作为初始物质，在极端的温度和压力下进行熔融实验，试图从岩石中“挤出”那些长期被忽视的氧。这项研究不仅挑战了教科书式的传统认知，更揭示了一条连接地幔与大气的新通路——而在这条路上，AI工具正发挥着越来越关键的作用。
高温高压下的熔融实验：挑战化学计量极限
为了模拟地球深部的真实环境，研究团队设计了严谨的实验方案。他们采用洋中脊玄武岩，在1200至1800摄氏度的温度区间和1个大气压至7吉帕斯卡的压力范围内进行熔融实验。7吉帕斯卡是什么概念？大约相当于每平方英寸100万磅的压力，接近上地幔的温压状态。在这样的条件下，硅酸盐不再是常见的固态岩石，而是处于熔融状态，如同地幔深处的“岩浆库”。
为了制造富氧环境，团队在部分样品中添加了氧化铂。氧化铂在高温下分解释放出氧，使得熔体在超高压下被迫吸入大量多余的氧。随后，他们将熔体快速淬火成玻璃，以便在常温下分析其成分。通过精确测量元素组成、水含量和二氧化碳含量，科学家们从总量中剥离出“化学计量必需氧”和“挥发分中的氧”，剩下的那一部分，便是从未引起关注的“额外氧”。
实验结果令人震撼：在一个大气压下，额外氧含量几乎为零；当压力攀升到7吉帕斯卡时，额外氧占样品总重量的比例飙升至5.2±0.2%。相比之下，未添加氧化铂的对照组在同一温压条件下只产生了0.2%到0.5%的额外氧。这说明，是否具备富氧环境直接决定了熔体的储氧能力。这些高压装置本身便是顶尖科技产品，为实验的可靠性保驾护航。而类似的技术突破，正是科技产品不断迭代的缩影。
更值得注意的是，5.2%的数值还只是保守下限。因为淬火过程极其迅速，但总有些氧可能在冷却前逃逸，真实的高压储氧能力只会更高。这个“岩浆氧罐”的容量，远远超乎地球化学家的想象。
额外氧的“藏身之处”：不是气泡，而是化学键
一个关键问题随即浮现：这些多出来的氧到底藏在熔体的什么地方？它们只是被高压强制困在微观气泡里，还是真正融入了硅酸盐的原子网络？如果是后者，那么硅酸盐熔体在高压下就不仅仅是一种“物理容器”，而是具有独特的化学储氧能力。
研究团队用拉曼光谱来回答这一问题。拉曼光谱可以灵敏地探测气体分子，但他们在淬火后的玻璃样品中未发现氧气的气态信号。也就是说，那5%的额外氧并非以气泡形式存在，而是被牢牢结合在硅酸盐结构之中。这一结果意味着，高压下的熔体在微观尺度上发生了化学重组。
为了理解重组的细节，牛海洋团队基于深度神经网络原子间势进行了大规模模拟。模拟结果显示，随着氧含量升高，氧原子的电荷分布范围明显变宽，其中一小部分氧原子彼此之间形成了类似过氧化物（O-O键）的化学键。这些成键的氧原子不再是单纯的“旁观者”，而是深度参与到了熔体网络中。尽管模拟采用简化的镁-硅-氧体系，绝对氧含量低于真实玄武岩实验，但它准确复现了“压力越高、储氧越多”的核心趋势。
这一发现颠覆了“氧永远被金属阳离子锁死”的传统图景。事实上，在高温高压的地幔环境中，氧可以以多种价态或键合方式存在，甚至形成“氧-氧”直接连接的过氧化物结构。这种非常规的化学行为，为地球内部元素迁移打开了新的大门。
从模拟到发现：AI工具如何重塑地球科学研究
这项研究之所以能揭示如此精妙的微观机制，离不开深度神经网络原子间势的助力。传统的第一性原理计算虽然准确，但计算成本极高，难以模拟包含数千个原子的硅酸盐体系。而基于机器学习势函数，研究人员可以用相对较低的计算代价获得接近量子精度的模拟结果。在微观结构演化的模拟中，研究人员采用的深度神经网络原子间势，背后其实是AI Agent技术的底层逻辑：让机器从海量数据中自主学习规则。
这正是AI工具的典型应用场景——它并不是直接告诉你答案，而是通过加速计算、特征提取和模式识别，帮人类在复杂混沌的原子世界中找到规律。为了清晰展示氧原子周围的电荷重排，作者团队还借助AI画图生成了直观的示意图，将原本抽象的硅酸盐网络具象化，使读者能一目了然地看到氧原子之间的关联。
随着AI技术不断演进，地球科学正在经历一场方法论革命。过去，做实验只能依靠经验试错；现在，AI工具可以先在虚拟空间里遍历数百万种原子构型，再锁定最可能的目标进行实验验证。这不仅大大节省了人力物力，也能发现许多人类直觉无法预料的“反常”现象，比如额外氧的存在。可以说，AI技术已经成了继实验、理论、数值模拟之后，第四种重要的科学研究范式。而这样的科技产品，正以极快的速度走进各个实验室，改变科学家的工作方式。
当然，AI工具并非万能。模型的质量依赖训练数据的准确性，而极端条件下的实验数据往往稀缺。但这项研究证明，当高压实验与AI模拟紧密结合时，二者可以互相印证，形成强大的正向循环。这也预示了未来地球深部研究的新常态。
大氧化事件的“岩浆点火”：一场跨越25亿年的呼应
额外氧在深部熔体中储存，那么它如何影响地表的大气层？答案是减压释放。当富含额外氧的岩浆从地幔深处向浅部迁移时，压力逐渐降低，熔体的储氧能力也随之下降，那些“过饱和”的氧便被释放出来。这些氧在上升过程中会氧化浅部地幔和地壳，最终以各种化学途径进入大洋和大气。
研究团队将这一机制与地质记录中的时间窗口进行比对，发现了一个耐人寻味的巧合：大氧化事件发生在约25亿至20亿年前，而全球范围内多个大火成岩省（LIPs）也恰好在这一时间段内集中喷发。大火成岩省指的是地幔柱活动引发的巨型玄武岩喷发，规模可覆盖数百万平方公里。如果岩浆真的能随压力释放氧，那么这些巨型喷发事件就相当于一次次力量惊人的“高压氧仓”泄压。
更具体的估算显示，如果那一时期喷发的岩浆仅释放出其自身重量0.27%的额外氧，就足以提供相当于今天整个大气层中的氧气总量。0.27%相比实验中7吉帕斯卡下测得的5%似乎只是小巫见大巫，但在全球尺度上，这个量级完全合理。当然，这只是一个基于全球规模岩浆活动的粗略推演，并非对某一次具体喷发的直接测定。但要理解这一过程，不妨借助大模型训练中常用的特征归因方法——无关变量被剥离，核心信号凸显。科学家们正是从海量地质事件中“筛选”出了岩浆活动这个关键变量，为大气演化提供了一个来自深部的驱动源。
当然，岩浆释放的氧气是否真的能直接补给大气，还要穿过地壳、海洋和大量岩石的层层吸收与反应。但这项发现至少打开了一种新的可能性：在地球氧循环的早期舞台上，不仅只有绿色植物和微生物在“生产”氧气，地幔本身也在以自己的节奏“呼出”氧气。
启示与展望：从地幔到大气，AI技术改变地球科学研究范式
这项研究的意义远超一次实验室里的新奇发现。它提醒我们，地球是一个完整的动态系统，深部过程与地表环境紧密相连。硅酸盐熔体在高压下的储氧能力，可能会影响我们对地幔氧化还原状态、火山气体成分乃至行星演化的理解。而在更广泛的层面，它展现了AI技术如何与深空、深地探测相互融合，共同推进人类知识的边界。
对于普通读者来说，AI工具并不遥远。在科学研究之外，AI技术也在悄然改变我们理解世界的方式。从分子模拟到天气预测，从药物发现到材料设计，AI工具正成为科学家的重要伙伴。若你想搭上这趟快车，不妨收藏一个AI工具导航，随时发现好用的效率软件。而在可视化呈现上，AI工具箱也能提供从数据清洗到报告生成的一站式支持。这些科技产品让我们能够以更低门槛参与科学探索，甚至可能激发下一代人的好奇心。
回到地球氧气的话题：氧气不只是光合作用的产物，地幔岩浆在漫长地质历史中也扮演了关键角色。这项研究为追逐氧气的故事补上了一块重要的拼图，也让我们意识到，自然界比任何科学模型都要精妙。未来，随着更高压力实验技术的进步和AI算法的持续升级，地球深部还会带给我们多少惊喜？答案或许就藏在那些尚未被探测到的“额外氧”之中。