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。（图片来源：Phil Hartmeyer, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary）
在月球引力的影响下，地球自转速度不断减慢，白天越来越长。而在蓝细菌的光合作用下，地球大气中的氧气含量越来越高，造就了今天适合人类生存的环境。这两件跨越了极大尺度的事情因为一个未解之谜被科学家们联系到一起——大氧化事件出现的原因。地球上第一次出现大量氧气会是自转减速的结果吗？
撰文 | 白德凡
审校 | 吴非
氧气是包括人类在内的大部分生命赖以生存的资源，它在今天的地球大气中占比约为21%，是地球大气的第二大成分。然而时间回到地球诞生之初，当时的大气和海洋中，氧气非常稀少。
造就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件。其中的第一次，也就是发生在约24亿~20亿年前的大氧化事件（Great Oxidation Event），首次将地球大气的氧气含量从几乎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件归因为蓝细菌的产氧光合作用。然而有一个问题尚未得到解释：根据化石记录，蓝细菌在27亿年前甚至更早已经可以通过光合作用产生氧气了，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，蓝细菌产生的氧气没有积累下来？这个问题一直困扰着科学家。很多科学家通过地质记录提出，最早释放的氧气都消耗在铁的氧化过程中了；还有人认为，早期的蓝细菌缺乏营养物质，因而没能形成足够规模的光合作用。而近日发表在《自然·地球科学》的一篇论文提醒人们，有一个关键环节被遗漏了：地球的自转速度。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合作用？
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非常低，接近数十亿年前微生物生活的环境，因此成为科学家研究地球早期生命行为的绝佳地点。
一名潜水员在休伦湖的中岛落水洞中观察覆盖在岩石上的微生物垫。（图片来源：Phil Hartmeyer, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary）
微生物垫上主要生活着两种微生物：通过光合作用产生氧气的蓝细菌，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进行着互动：在上午和下午的大部分时间里，硫氧化细菌都覆盖在蓝细菌上方，阻挡了后者与阳光接触；只有一天中日光最强的时候，硫氧化细菌为了避开光线，会迁移到落水洞更深的地方，这时蓝细菌才得以接触到阳光。然而，从接触阳光到光合作用真正开始之间，还存在着几小时的延迟。“蓝藻菌似乎起得比较晚。”克拉特说。这样算下来，每天留给蓝细菌光合作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：“如果白昼的时长变长，蓝细菌的光合作用会有怎样的不同？”
白天不总是这么长
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。在地球诞生之初，一天的长度只有6个小时。而后在月球引力的作用下，地球上产生潮汐现象，海水与地壳的摩擦一点一点减慢了地球的自转速度。直到24亿年前，地球每天的长度达到21个小时左右。此后大约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，地球的自转速度保持不变。直到大约7亿年前，可能由于气温的变化，平衡被打破，地球自转再次在月球引力的作用下减速，最终造就了一天24小时的长度。
克拉特惊讶地发现，地球自转速度与氧气含量的变化是同步的。地球自转减速中断了10亿年，这10亿年间大气中的氧气水平也保持不变。而后地球自转再次开始减速时，发生了第二次大规模氧化事件：新元古代氧化事件（Neoproterozoic OxygenaXQtion Event）。克拉特对这两者之间可能存在的联系很感兴趣。
克拉特分析说：“如果白天长度太短，蓝细菌的光合作用产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。”
直觉上看，两个6小时长的白昼与一个12小时长的白昼，对于光合作用来说是等效的。但是对于氧气从微生物垫上释放的过程来说，这样的等效不成立。在后一种情况中，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——比如大气——释放。“即使光合作用产生氧气的速率不变，但白天长度更短的话，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·克拉特从休伦湖收集的沉积物样本的顶部刮下一个微生物垫。（图片来源：Jim Erickson, University of Michigan News）
从微生物垫到全球氧气
克拉特利用在休伦湖采集的微生物垫样本进行实验。在实验室中，她用卤素灯模拟不同的白昼长度，记录对应的氧气释放量。结果发现，暴露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）合作。钱努当时在马克斯·普朗克海洋微生物研究所工作，现在在德国的莱布尼茨热带海洋研究中心（ZMT）领导自己的小组。他们建立了一个数值模型来计算蓝细菌在全球范围内能产生多少氧气。输入微生物垫的实验结果和其他数据后，模拟结果揭示了光照和微生物垫之间的相互作用。
通常情况下，微生物垫在夜间吸入的氧气几乎和它们在白天生产的氧气一样多。但随着地球自转速度减慢，额外的连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。结果在数十亿年的时间里，大气中的氧气含量跟随白昼长度同步变化：两者都以阶梯式上升，并最终维持一个较高水平。
模拟得到的地球一天长度以及氧气含量在数十亿年间的变化趋势图，二者在时间上存在相关性。
图片来源：Klatt, J.M., Chennu, A., Arbic, B.K. et al. Possible link between Earth’s rotation rate and oxygenation. Nat. Geosci. (2021).
“我们的研究表明，白天的长度和微生物释放的氧气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，我们将不同尺度上的物理规律联系到了一起——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件——20亿年前的大氧化事件和晚些时候的新元古代氧化事件——可能与白昼长度的增加有关。光照时长的增加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如此大的时间和空间尺度，令人惊叹。”
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发表于 2021-8-8 13:14
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