氧（oxygen）與「酸」（acid）

元素「氧」的英文是 oxygen，字首是 ox-， oxy-。但是「酸」（sharp, sour, acid）的字首，也是一樣的。為什麼會這樣呢？

拉瓦節。圖片來源：wiki

氧氣是拉瓦節（Antoine Lavoisier，1743-1794）命名的。他透過進行了一連串精巧的實驗，推翻了當時所謂的「燃素」（phlogisticated air）理論。

在1778年，拉瓦節向法國科學院發表了有關燃燒的實驗。在他的文章中，他提到所謂的「燃素」（phlogisticated air）其實並不存在，而是因為這些金屬--如他實驗中的磷、硫、錫、汞等--吸收了空氣中的一種成分。這種成分，可以由加熱氧化汞（red calx，即HgO，俗稱三仙丹）得到。

由於這些金屬的氧化物都具有酸性，所以拉瓦節認為，所有的「酸」裡面都有氧；於是他在1779年正式把被普利斯萊（Joseph Priestley，1733-1804）稱為「去燃素空氣」（dephlogisticated air）的成分命名為「氧氣」：oxygen。因為希臘文中的ox-或oxy-的意思是「酸」（oxys），而-gen則是「產生」的意思。

不過，拉瓦節在法國科學院的報告，招來了許多人的抱怨。包括普利斯萊以及舍勒（Carl Wilhelm Scheele，1742-1786），都在他之前曾經分離出氧氣，但是都沒有確認它是元素（感覺上舍勒錯過了不少東西）。不過，現在大家都還是認為，普利斯萊才是發現氧氣的人。

拉瓦節在法國大革命的恐怖統治時期（Reign of Terror）被捕，原因只是因為他擁有了農場（Ferme générale）向農民收租。當時他的夫人（Marie-Anne Paulze Lavoisier）努力的營救他，提出許多拉瓦節在科學上的重大貢獻，希望政府能讓他繼續他的研究；但是據說當時的法官的回答是：「共和國不需要科學家，也不需要化學家；但是正義不能被延遲！」（La République n'a pas besoin de savants ni de chimistes ; le cours de la justice ne peut être suspendu.(The Republic needs neither scientists nor chemists; the course of justice cannot be delayed.)），於是他在1794年的五月八日上了斷頭臺。

他去世以後，他的夫人努力保存他的筆記本、為他出書，使他在科學上的發現得以被保存與承認。許多他的筆記本，現在都在康乃爾大學（Cornell University）。

參考文獻：

George Johnson。2009。十項最美的實驗。 臉譜出版。

Wikipedia. Antoine Lavoisier, Joseph Priestley,Marie-Anne Paulze Lavoisier

藍綠菌（cyanobacteria）與地球

藍綠菌對地球上的生命有很大的影響。三十億年前，地球的大氣是幾乎不含氧氣的；直到藍綠菌出現，由於藍綠菌進行光合作用產生氧氣，最後使得地球上的大氣開始有氧。氧氣在大氣中的含量歷經幾次變動，最後終於維持目前的20%的濃度。

不過，從藍綠菌出現在地球，直到藍綠菌釋放的氧氣，對地球產生了決定的的影響（即所謂的「大氧化事件」Great Oxygenation Event），這段路程走了六億年。為什麼這麼久呢？

氧氣在地球上的濃度變化。下方橫軸是十億年，縱軸是
大氣中的氧氣濃度。圖片來源：wiki

過去科學家們認為，因為地球上有很多鐵（以質量來算，鐵是地球上含量最多的元素），在沒有氧氣的地球上，這些鐵是以元素態的形式存在；一旦氧氣開始出現，海中的鐵元素以及其他容易被氧化的有機物首先吸收了氧氣（如上圖的上方所顯示的第二階段）。等到海中的鐵元素與其他有機物被氧氣消耗殆盡後，氧氣開始釋放到大氣中，被陸地上的化合物吸收（第三階段）。等到陸地上的化合物也已經被氧氣消耗完了，大氣中的氧氣濃度便進入第二個階段的提升了。

看起來很有道理，不過筆者一直覺得，藍綠菌有需要花這麼多年（六億）的時間，才能讓地球上的鐵以及其他的有機物被氧化殆盡嗎？

最近圖賓根大學（Universitaet Tübingen）的研究團隊發現，為何藍綠菌花了這麼多時間的原因。

研究團隊在尋找如何使藍綠菌生長減緩時，發現高濃度的二價鐵（Fe2+）遇到氧氣時，會產生自由基（reactive oxygen）。自由基傷害了藍綠菌，使得藍綠菌進行光合作用的速度變慢，生長也減緩了。

而這些二價鐵又是從何而來呢？研究團隊認為，這些二價鐵是由海底火山從地函噴發出來的。在太古宙（Archaean）的沈積記錄中，有數次的海底火山爆發，而每次的海底火山爆發，伴隨著發生的就是元素態氧的消失。因此，研究團隊認為，高濃度的二價鐵遇到元素態氧時，會產生自由基，而這個自由基使得藍綠菌的生長減緩。

筆者看到這個研究結果就想到：原來這就是藍綠菌為什麼要花那麼久的時間，才能造成「大氧化事件」啊！大氧化事件使得當時地球上的許多厭氧生物都滅絕了，由於這些厭氧生物都是微生物，要留下化石記錄也非常困難，因此我們無法得知到底有多少微生物因此而滅絕了。不過，可以想見在二十四億年前消失的微生物一定非常多的；因此，筆者常跟學生說，或許真正的第一次大滅絕，並不是發生在奧陶紀-志留紀（約四億五千萬到四億四千萬年前），而是更早的成鐵紀（Siderian），也就是由眼睛看不到的生物--藍綠菌--所造成的大氧化事件呢！

第一次生物大滅絕的禍首是它--藍綠菌？
圖片來源：wiki

參考文獻：

Elizabeth D. Swanner, Aleksandra M. Mloszewska, Olaf A. Cirpka, Ronny Schoenberg, Kurt O. Konhauser & Andreas Kappler. 2015. Modulation of oxygen production in Archaean oceans by episodes of Fe(II) toxicity. Nature Geoscience. doi:10.1038/ngeo2327