休倫湖中島落水洞中的紫色微生物墊。墊子中“手指”樣的凸起由甲烷和硫化氫等氣體往上冒泡形成。（圖片來源：Phil Hartmeyer， NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary）

　　在月球引力的影響下，地球自轉(zhuǎn)速度不斷減慢，白天越來越長。而在藍(lán)細(xì)菌的光合作用下，地球大氣中的氧氣含量越來越高，造就了今天適合人類生存的環(huán)境。這兩件跨越了極大尺度的事情因為一個未解之謎被科學(xué)家們聯(lián)系到一起——大氧化事件出現(xiàn)的原因。地球上第一次出現(xiàn)大量氧氣會是自轉(zhuǎn)減速的結(jié)果嗎？

　　撰文 | 白德凡

　　審校 | 吳非

　　氧氣是包括人類在內(nèi)的大部分生命賴以生存的資源，它在今天的地球大氣中占比約為21%，是地球大氣的第二大成分。然而時間回到地球誕生之初，當(dāng)時的大氣和海洋中，氧氣非常稀少。

　　造就今天地球的富氧環(huán)境的，是地球歷史上的三次大規(guī)模氧化事件。其中的第一次，也就是發(fā)生在約24億~20億年前的大氧化事件（Great Oxidation Event），首次將地球大氣的氧氣含量從幾乎為零提升到了相當(dāng)于今天氧氣含量1%的水平。科學(xué)界普遍將這次氧化事件歸因為藍(lán)細(xì)菌的產(chǎn)氧光合作用。然而有一個問題尚未得到解釋：根據(jù)化石記錄，藍(lán)細(xì)菌在27億年前甚至更早已經(jīng)可以通過光合作用產(chǎn)生氧氣了，而地球大規(guī)模氧化卻是至少3億年后的事情。

　　為什么在此之間的數(shù)億年中，藍(lán)細(xì)菌產(chǎn)生的氧氣沒有積累下來？這個問題一直困擾著科學(xué)家。很多科學(xué)家通過地質(zhì)記錄提出，最早釋放的氧氣都消耗在鐵的氧化過程中了；還有人認(rèn)為，早期的藍(lán)細(xì)菌缺乏營養(yǎng)物質(zhì)，因而沒能形成足夠規(guī)模的光合作用。而近日發(fā)表在《自然·地球科學(xué)》的一篇論文提醒人們，有一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)被遺漏了：地球的自轉(zhuǎn)速度。在地球的歷史上，一天的長度隨著地球自轉(zhuǎn)減速而逐漸變長，這是否影響了藍(lán)細(xì)菌的光合作用？

　　藍(lán)細(xì)菌起得晚

　　在美國密歇根大學(xué)安娜堡分校做博士后時，尤迪特·克拉特（Judith Klatt）曾經(jīng)研究過休倫湖中島落水洞（Middle Island Sinkhole）沉積物上生長的微生物墊。那里的湖水氧氣含量非常低，接近數(shù)十億年前微生物生活的環(huán)境，因此成為科學(xué)家研究地球早期生命行為的絕佳地點。

　　一名潛水員在休倫湖的中島落水洞中觀察覆蓋在巖石上的微生物墊。（圖片來源：Phil Hartmeyer， NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary）

　　微生物墊上主要生活著兩種微生物：通過光合作用產(chǎn)生氧氣的藍(lán)細(xì)菌，以及將硫加工成硫酸鹽的硫氧化細(xì)菌。這兩種微生物在數(shù)十億年間日復(fù)一日地進(jìn)行著互動：在上午和下午的大部分時間里，硫氧化細(xì)菌都覆蓋在藍(lán)細(xì)菌上方，阻擋了后者與陽光接觸；只有一天中日光最強(qiáng)的時候，硫氧化細(xì)菌為了避開光線，會遷移到落水洞更深的地方，這時藍(lán)細(xì)菌才得以接觸到陽光。然而，從接觸陽光到光合作用真正開始之間，還存在著幾小時的延遲。“藍(lán)藻菌似乎起得比較晚。”克拉特說。這樣算下來，每天留給藍(lán)細(xì)菌光合作用的時間只有幾個小時。

　　得知了這兩種微生物的互動后，密歇根大學(xué)的海洋學(xué)家布萊恩·阿比克（Brian Arbic）提出了一個有趣的問題：“如果白晝的時長變長，藍(lán)細(xì)菌的光合作用會有怎樣的不同？”

　　白天不總是這么長

　　正如地球的氧氣含量并非一直是這么多，地球一天的長度也并非一直是24小時。在地球誕生之初，一天的長度只有6個小時。而后在月球引力的作用下，地球上產(chǎn)生潮汐現(xiàn)象，海水與地殼的摩擦一點一點減慢了地球的自轉(zhuǎn)速度。直到24億年前，地球每天的長度達(dá)到21個小時左右。此后大約10億年的時間里，月球的減速效應(yīng)與地球大氣潮汐的加速效應(yīng)相抵消，地球的自轉(zhuǎn)速度保持不變。直到大約7億年前，可能由于氣溫的變化，平衡被打破，地球自轉(zhuǎn)再次在月球引力的作用下減速，最終造就了一天24小時的長度。

　　克拉特驚訝地發(fā)現(xiàn)，地球自轉(zhuǎn)速度與氧氣含量的變化是同步的。地球自轉(zhuǎn)減速中斷了10億年，這10億年間大氣中的氧氣水平也保持不變。而后地球自轉(zhuǎn)再次開始減速時，發(fā)生了第二次大規(guī)模氧化事件：新元古代氧化事件（Neoproterozoic OxygenaXQtion Event）。克拉特對這兩者之間可能存在的聯(lián)系很感興趣。

　　克拉特分析說：“如果白天長度太短，藍(lán)細(xì)菌的光合作用產(chǎn)生的氧氣來不及形成足夠的濃度梯度并從微生物墊上釋放出來。”

　　直覺上看，兩個6小時長的白晝與一個12小時長的白晝，對于光合作用來說是等效的。但是對于氧氣從微生物墊上釋放的過程來說，這樣的等效不成立。在后一種情況中，更長的白晝給了氧氣更多的積累時間，讓它們更容易形成足夠的濃度梯度，從微生物墊向濃度較低的區(qū)域——比如大氣——釋放。“即使光合作用產(chǎn)生氧氣的速率不變，但白天長度更短的話，微生物墊釋放的氧氣也會更少。”克拉特說道。

　　從微生物墊到全球氧氣

　　克拉特利用在休倫湖采集的微生物墊樣本進(jìn)行實驗。在實驗室中，她用鹵素?zé)裟M不同的白晝長度，記錄對應(yīng)的氧氣釋放量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，暴露在光線下的時間越長，微生物墊釋放的氧氣就越多。

　　隨后克拉特找到阿爾瓊·錢努（Arjun Chennu）合作。錢努當(dāng)時在馬克斯·普朗克海洋微生物研究所工作，現(xiàn)在在德國的萊布尼茨熱帶海洋研究中心（ZMT）領(lǐng)導(dǎo)自己的小組。他們建立了一個數(shù)值模型來計算藍(lán)細(xì)菌在全球范圍內(nèi)能產(chǎn)生多少氧氣。輸入微生物墊的實驗結(jié)果和其他數(shù)據(jù)后，模擬結(jié)果揭示了光照和微生物墊之間的相互作用。

　　通常情況下，微生物墊在夜間吸入的氧氣幾乎和它們在白天生產(chǎn)的氧氣一樣多。但隨著地球自轉(zhuǎn)速度減慢，額外的連續(xù)日照時間使得微生物墊積累了過剩的氧氣，這些氧氣被釋放到水中。結(jié)果在數(shù)十億年的時間里，大氣中的氧氣含量跟隨白晝長度同步變化：兩者都以階梯式上升，并最終維持一個較高水平。

　　模擬得到的地球一天長度以及氧氣含量在數(shù)十億年間的變化趨勢圖，二者在時間上存在相關(guān)性。

　　圖片來源：Klatt， J.M。， Chennu， A。， Arbic， B.K。 et al。 Possible link between Earth’s rotation rate and oxygenation。 Nat。 Geosci。 （2021）。

　　“我們的研究表明，白天的長度和微生物釋放的氧氣量之間存在著基本的聯(lián)系，”克拉特說道，“這很令人興奮。通過這種方式，我們將不同尺度上的物理規(guī)律聯(lián)系到了一起——從分子擴(kuò)散到行星動力學(xué)，從微生物墊上分子的舞蹈到地球與月球的舞蹈。”

　　這項研究說明，地球歷史上的兩次氧化事件——20億年前的大氧化事件和晚些時候的新元古代氧化事件——可能與白晝長度的增加有關(guān)。光照時長的增加可以提高藍(lán)細(xì)菌的產(chǎn)氧量，足以影響大氣中的氧氣水平。克拉特總結(jié)道：“大自然的雜耍跨越了如此大的時間和空間尺度，令人驚嘆。”

　　參考來源：

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

　　https：//www.eurekalert.org/news-releases/924010

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

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

　　論文鏈接：

　　https：//doi.org/10.1038/s41561-021-00784-3

　　本文轉(zhuǎn)自環(huán)球科學(xué)