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休伦湖中岛落水洞中的紫色微生物垫。垫子中“手指”样的凸起由甲烷和硫化氢等气体往上冒泡形成 | Phil Hartmeyer, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary

在月球引力的影响下，地球自转速率不停减慢，日间越来越长。而在蓝细菌的光互助用下，地球大气中的氧气含量越来越高，作育了今天适合人类生计的环境。这两件跨越了极大尺度的事情由于一个未解之谜被科学家们联系到一起――大氧化事宜泛起的缘故原由。地球上第一次泛起大量氧气会是自转减速的效果吗？

氧气是包罗人类在内的大部门生命赖以生计的资源，它在今天的地球大气中占比约为21%，是地球大气的第二大因素。然而时间回到地球降生之初，那时的大气和海洋中，氧气异常希罕。

作育今天地球的富氧环境的，是地球历史上的三次大规模氧化事宜。其中的第一次，也就是发生在约24亿~20亿年前的大氧化事宜（Great Oxidation Event），首次将地球大气的氧气含量从险些为零提升到了相当于今天氧气含量1%的水平。科学界普遍将这次氧化事宜归由于蓝细菌的产氧光互助用。然而有一个问题尚未获得注释：凭证化石纪录，蓝细菌在27亿年前甚至更早已经可以通过光互助用发生氧气了，而地球大规模氧化却是至少3亿年后的事情。

为什么在此之间的数亿年中，蓝细菌发生的氧气没有积累下来？这个问题一直困扰着科学家。许多科学家通过地质纪录提出，最早释放的氧气都消耗在铁的氧化历程中了；另有人以为，早期的蓝细菌缺乏营养物质，因而没能形成足够规模的光互助用。而克日揭晓在《自然・地球科学》的一篇论文提醒人们，有一个要害环节被遗漏了：地球的自转速率。在地球的历史上，一天的长度随着地球自转减速而逐渐变长，这是否影响了蓝细菌的光互助用？

蓝细菌起得晚

在美国密歇根大学安娜堡分校做博士后时，尤迪特・克拉特（Judith Klatt）曾经研究过休伦湖中岛落水洞（Middle Island Sinkhole）沉积物上生长的微生物垫。那里的湖水氧气含量异常低，靠近数十亿年前微生物生涯的环境，因此成为科学家研究地球早期生命行为的绝佳地址。

一名潜水员在休伦湖的中岛落水洞中考察笼罩在岩石上的微生物垫 | Phil Hartmeyer, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary

微生物垫上主要生在世两种微生物：通过光互助用发生氧气的蓝细菌，以及将硫加工成硫酸盐的硫氧化细菌。这两种微生物在数十亿年间日复一日地举行着互动：在上午和下昼的大部门时间里，硫氧化细菌都笼罩在蓝细菌上方，阻挡了后者与阳光接触；只有一天中日光最强的时刻，硫氧化细菌为了避开光线，会迁徙到落水洞更深的地方，这时蓝细菌才得以接触到阳光。然而，从接触阳光到光互助用真正最先之间，还存在着几小时的延迟。“蓝藻菌似乎起得对照晚。”克拉特说。这样算下来，天天留给蓝细菌光互助用的时间只有几个小时。

得知了这两种微生物的互动后，密歇根大学的海洋学家布莱恩・阿比克（Brian Arbic）提出了一个有趣的问题：“若是白昼的时长变长，蓝细菌的光互助用会有怎样的差异？”

日间不总是这么长

正如地球的氧气含量并非一直是这么多，地球一天的长度也并非一直是24小时。在地球降生之初，一天的长度只有6个小时。尔后在月球引力的作用下，地球上发生潮汐征象，海水与地壳的摩擦一点一点减慢了地球的自转速率。直到24亿年前，地球天天的长度到达21个小时左右。往后约莫10亿年的时间里，月球的减速效应与地球大气潮汐的加速效应相抵消，地球的自转速率保持稳固。直到约莫7亿年前，可能由于气温的转变，平衡被打破，地球自转再次在月球引力的作用下减速，最终作育了一天24小时的长度。

克拉特惊讶地发现，地球自转速率与氧气含量的转变是同步的。地球自转减速中止了10亿年，这10亿年间大气中的氧气水平也保持稳固。尔后地球自转再次最先减速时，发生了第二次大规模氧化事宜：新元古代氧化事宜（Neoproterozoic OxygenaXQtion Event）。克拉特对这两者之间可能存在的联系很感兴趣。

克拉特剖析说：“若是日间长度太短，蓝细菌的光互助用发生的氧气来不及形成足够的浓度梯度并从微生物垫上释放出来。”

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直觉上看，两个6小时长的白昼与一个12小时长的白昼，对于光互助用来说是等效的。然则对于氧气从微生物垫上释放的历程来说，这样的等效不确立。在后一种情形中，更长的白昼给了氧气更多的积累时间，让它们更容易形成足够的浓度梯度，从微生物垫向浓度较低的区域――好比大气――释放。“纵然光互助用发生氧气的速率稳固，但日间长度更短的话，微生物垫释放的氧气也会更少。”克拉特说道。

论文第一作者尤迪特・克拉特从休伦湖网络的沉积物样本的顶部刮下一个微生物垫 | Jim Erickson, University of Michigan News

从微生物垫到全球氧气

克拉特行使在休伦湖采集的微生物垫样本举行实验。在实验室中，她用卤素灯模拟差其余白昼长度，纪录对应的氧气释放量。效果发现，露出在光线下的时间越长，微生物垫释放的氧气就越多。

随后克拉特找到阿尔琼・钱努（Arjun Chennu）互助。钱努那时在马克斯・普朗克海洋微生物研究所事情，现在在德国的莱布尼茨热带海洋研究中央（ZMT）向导自己的小组。他们确立了一个数值模子来盘算蓝细菌在全球局限内能发生若干氧气。输入微生物垫的实验效果和其他数据后，模拟效果展现了光照和微生物垫之间的相互作用。

通常情形下，微生物垫在夜间吸入的氧气险些和它们在日间生产的氧气一样多。但随着地球自转速率减慢，分外的延续日照时间使得微生物垫积累了过剩的氧气，这些氧气被释放到水中。效果在数十亿年的时间里，大气中的氧气含量追随白昼长度同步转变：两者都以门路式上升，并最终维持一个较高水平。

模拟获得的地球一天长度以及氧气含量在数十亿年间的转变趋势图，二者在时间上存在相关性 | Klatt, J.M., Chennu, A., Arbic, B.K. et al. Possible link between Earth’s rotation rate and oxygenation. Nat. Geosci. (2021).

“我们的研究解释，日间的长度和微生物释放的氧宇量之间存在着基本的联系，”克拉特说道，“这很令人兴奋。通过这种方式，我们将差异尺度上的物理纪律联系到了一起――从分子扩散到行星动力学，从微生物垫上分子的舞蹈到地球与月球的舞蹈。”

这项研究说明，地球历史上的两次氧化事宜――20亿年前的大氧化事宜和晚些时刻的新元古代氧化事宜――可能与白昼长度的增添有关。光照时长的增添可以提高蓝细菌的产氧量，足以影响大气中的氧气水平。克拉特总结道：“大自然的杂耍跨越了云云大的时间和空间尺度，令人赞叹。

参考文献

[1]https://www.sciencemag.org/news/2021/08/totally-new-idea-suggests-longer-days-early-earth-set-stage-complex-life

[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/924010

[3]https://www.livescience.com/early-earth-rotation-increase-oxygen.html

[4]https://www.forbes.com/sites/davidbressan/2021/08/02/the-rise-of-oxygen-on-early-earth-linked-to-changing-daylength/

撰文：白德凡

审校：吴非