休倫(lun) 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(ti) 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，地球自轉速度不斷減慢，白天越來越長。而在藍細菌的光合作用下，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境。這兩(liang) 件跨越了極大尺度的事情因為(wei) 一個(ge) 未解之謎被科學家們(men) 聯係到一起——大氧化事件出現的原因。地球上第一次出現大量氧氣會(hui) 是自轉減速的結果嗎？

撰文 | 白德凡

審校 | 吳非

氧氣是包括人類在內(nei) 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(wei) 21%，是地球大氣的第二大成分。然而時間回到地球誕生之初，當時的大氣和海洋中，氧氣非常稀少。

造就今天地球的富氧環境的，是地球曆史上的三次大規模氧化事件。其中的第一次，也就是發生在約24億(yi) ~20億(yi) 年前的大氧化事件（Great Oxidation Event），首次將地球大氣的氧氣含量從(cong) 幾乎為(wei) 零提升到了相當於(yu) 今天氧氣含量1%的水平。科學界普遍將這次氧化事件歸因為(wei) 藍細菌的產(chan) 氧光合作用。然而有一個(ge) 問題尚未得到解釋：根據化石記錄，藍細菌在27億(yi) 年前甚至更早已經可以通過光合作用產(chan) 生氧氣了，而地球大規模氧化卻是至少3億(yi) 年後的事情。

為(wei) 什麽(me) 在此之間的數億(yi) 年中，藍細菌產(chan) 生的氧氣沒有積累下來？這個(ge) 問題一直困擾著科學家。很多科學家通過地質記錄提出，最早釋放的氧氣都消耗在鐵的氧化過程中了；還有人認為(wei) ，早期的藍細菌缺乏營養(yang) 物質，因而沒能形成足夠規模的光合作用。而近日發表在《自然·地球科學》的一篇論文提醒人們(men) ，有一個(ge) 關(guan) 鍵環節被遺漏了：地球的自轉速度。在地球的曆史上，一天的長度隨著地球自轉減速而逐漸變長，這是否影響了藍細菌的光合作用？

藍細菌起得晚

在美國密歇根大學安娜堡分校做博士後時，尤迪特·克拉特（Judith Klatt）曾經研究過休倫(lun) 湖中島落水洞（Middle Island Sinkhole）沉積物上生長的微生物墊。那裏的湖水氧氣含量非常低，接近數十億(yi) 年前微生物生活的環境，因此成為(wei) 科學家研究地球早期生命行為(wei) 的絕佳地點。

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

微生物墊上主要生活著兩(liang) 種微生物：通過光合作用產(chan) 生氧氣的藍細菌，以及將硫加工成硫酸鹽的硫氧化細菌。這兩(liang) 種微生物在數十億(yi) 年間日複一日地進行著互動：在上午和下午的大部分時間裏，硫氧化細菌都覆蓋在藍細菌上方，阻擋了後者與(yu) 陽光接觸；隻有一天中日光最強的時候，硫氧化細菌為(wei) 了避開光線，會(hui) 遷移到落水洞更深的地方，這時藍細菌才得以接觸到陽光。然而，從(cong) 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。“藍藻菌似乎起得比較晚。”克拉特說。這樣算下來，每天留給藍細菌光合作用的時間隻有幾個(ge) 小時。

得知了這兩(liang) 種微生物的互動後，密歇根大學的海洋學家布萊恩·阿比克（Brian Arbic）提出了一個(ge) 有趣的問題：“如果白晝的時長變長，藍細菌的光合作用會(hui) 有怎樣的不同？”

白天不總是這麽(me) 長

正如地球的氧氣含量並非一直是這麽(me) 多，地球一天的長度也並非一直是24小時。在地球誕生之初，一天的長度隻有6個(ge) 小時。而後在月球引力的作用下，地球上產(chan) 生潮汐現象，海水與(yu) 地殼的摩擦一點一點減慢了地球的自轉速度。直到24億(yi) 年前，地球每天的長度達到21個(ge) 小時左右。此後大約10億(yi) 年的時間裏，月球的減速效應與(yu) 地球大氣潮汐的加速效應相抵消，地球的自轉速度保持不變。直到大約7億(yi) 年前，可能由於(yu) 氣溫的變化，平衡被打破，地球自轉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。

克拉特驚訝地發現，地球自轉速度與(yu) 氧氣含量的變化是同步的。地球自轉減速中斷了10億(yi) 年，這10億(yi) 年間大氣中的氧氣水平也保持不變。而後地球自轉再次開始減速時，發生了第二次大規模氧化事件：新元古代氧化事件（Neoproterozoic OxygenaXQtion Event）。克拉特對這兩(liang) 者之間可能存在的聯係很感興(xing) 趣。

克拉特分析說：“如果白天長度太短，藍細菌的光合作用產(chan) 生的氧氣來不及形成足夠的濃度梯度並從(cong) 微生物墊上釋放出來。”

直覺上看，兩(liang) 個(ge) 6小時長的白晝與(yu) 一個(ge) 12小時長的白晝，對於(yu) 光合作用來說是等效的。但是對於(yu) 氧氣從(cong) 微生物墊上釋放的過程來說，這樣的等效不成立。在後一種情況中，更長的白晝給了氧氣更多的積累時間，讓它們(men) 更容易形成足夠的濃度梯度，從(cong) 微生物墊向濃度較低的區域——比如大氣——釋放。“即使光合作用產(chan) 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(hui) 更少。”克拉特說道。

論文第一作者尤迪特·克拉特從(cong) 休倫(lun) 湖收集的沉積物樣本的頂部刮下一個(ge) 微生物墊。（圖片來源：Jim Erickson, University of Michigan News）

從(cong) 微生物墊到全球氧氣

克拉特利用在休倫(lun) 湖采集的微生物墊樣本進行實驗。在實驗室中，她用鹵素燈模擬不同的白晝長度，記錄對應的氧氣釋放量。結果發現，暴露在光線下的時間越長，微生物墊釋放的氧氣就越多。

隨後克拉特找到阿爾瓊·錢努（Arjun Chennu）合作。錢努當時在馬克斯·普朗克海洋微生物研究所工作，現在在德國的萊布尼茨熱帶海洋研究中心（ZMT）領導自己的小組。他們(men) 建立了一個(ge) 數值模型來計算藍細菌在全球範圍內(nei) 能產(chan) 生多少氧氣。輸入微生物墊的實驗結果和其他數據後，模擬結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(men) 在白天生產(chan) 的氧氣一樣多。但隨著地球自轉速度減慢，額外的連續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。結果在數十億(yi) 年的時間裏，大氣中的氧氣含量跟隨白晝長度同步變化：兩(liang) 者都以階梯式上升，並最終維持一個(ge) 較高水平。

模擬得到的地球一天長度以及氧氣含量在數十億(yi) 年間的變化趨勢圖，二者在時間上存在相關(guan) 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(men) 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係，”克拉特說道，“這很令人興(xing) 奮。通過這種方式，我們(men) 將不同尺度上的物理規律聯係到了一起——從(cong) 分子擴散到行星動力學，從(cong) 微生物墊上分子的舞蹈到地球與(yu) 月球的舞蹈。”

這項研究說明，地球曆史上的兩(liang) 次氧化事件——20億(yi) 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(yu) 白晝長度的增加有關(guan) 。光照時長的增加可以提高藍細菌的產(chan) 氧量，足以影響大氣中的氧氣水平。克拉特總結道：“大自然的雜耍跨越了如此大的時間和空間尺度，令人驚歎。”

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

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