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当地球自转变得缓慢……

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【摘要】 我们知道,在如今的地球大气中,氧气的含量约占 21%,它对地球上大部分生命的重要性不言而喻。然而,这种情况并非一直如此。如果将时间拨回到 30 亿年......

我们知道,在如今的地球大气中,氧气的含量约占 21%,它对地球上大部分生命的重要性不言而喻。然而,这种情况并非一直如此。如果将时间拨回到 30 亿年前,你会发现无论是在大气中还是海洋里,地表环境中的氧气都是非常稀少的。

氧气的增加无疑是地球历史上最重大的环境变化之一,它为动植物的生命多样性铺平了道路。那么,地球大气中的氧气是如何变得丰富的?在它变得丰富的过程中,又都受到了哪些因素的控制?这是众多科学家希望能找到答案的重要问题,一直以来,他们都在试图努力找到一个能令所有人满意的解释。

休伦湖湖底的一个落水洞内,一条淡水鳕鱼躺在覆盖着紫色和白色的微生物垫的岩石上。|图片来源:Phil Hartmeyer, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary

现在,一个国际研究小组提出了一种全新的解释,他们通过分析休伦湖湖底的微生物垫,认为地球的自转速度与远古时期的氧气产生有关。新的结果表明,随着地球的自转速度逐渐减缓,白昼时间也随之变长,因此可能增加了由光合细菌释放的氧气量。这一结果发表在了近期的《自然 - 地球科学》杂志上。

目前,科学家普遍认为地表的氧气含量的上升可分为两大步骤,第一次是发生在约 24 亿年前的大氧化事件,第二次的氧气激增事件则发生在此后的近 20 亿年后,即新元古代氧化事件

大约在 40 亿年前,在广阔的浅海中出现了一些单细胞生物。这些早期微生物中有许多是蓝细菌,它们可以在沉积物和岩石表面形成像垫子一样的群落。蓝细菌是一类近来名声不佳的细菌,它们给世界各地的许多水体都造成了难看且有毒的有害藻华,有时对水体中的鱼类和其他生物能构成致命的威胁。然而,这些已经存在了数十亿年的细菌是最早一批能够从阳光中获取能量,并通过光合作用产生有机化合物和氧气的微生物。

一直以来,科学家普遍认为是这些能进行光合作用的微生物垫提供了最初的氧气供应,并在漫长的岁月中创造了一个有利于各种形式的有氧生命进化的环境。但是,他们又总是感到困惑,为什么从第一批光合作用的微生物到出现的最早能够证明氧气积累的地质证据之间,经过了大约 10 亿年的时间。

过去,有科学家通过模拟地月距离以及由此产生的潮汐作用,得知了自地球形成以来,地球的自转速度一直在缓慢下降。虽然地球现在每 24 小时完成一次自转,但在大约 45 亿年前,地球上一天的长度可能只有 6 小时。根据模型的推测,在大约 24 亿年前,地球的自转速度已经减缓到了每天 21 小时左右;接着,这一速度在接下来的约 10 亿年里大致维持不变;直到大约 7 亿年前,地球的自转速度降至了现如今的样子。

论文的第一作者 Judith Klatth 正在将从休伦湖的中岛落水洞中收集到样本的顶部刮下微生物垫。|图片来源:Jim Erickson, University of Michigan News

在更早的时候,海洋微生物学家Judith Klatt意识到,地球自转速度的放缓与大气中的氧气大幅增加的时机之间似乎有着某种联系。在 Klatt 于密歇根大学进行的博士后研究的阶段,她曾观察过生长在休伦湖的一个落水洞中的蓝细菌群落。这让她产生了一个新的想法。

显示五大湖的地质情况的地图。箭头和红色圆圈处所表示的是几个被淹没的休伦湖湖底的落水洞的位置,其中包括中岛落水洞。|图片来源:Biddanda et al. 2012 & Granneman et al. 2000

休伦湖是北美五大湖中的第二大湖,它的底部是有着 4 亿年历史的石灰石、白云石和石膏基岩,它们是从曾经覆盖了大陆的海水中形成的。随着时间的推移,地下水的流动溶解了一些基岩,形成了洞穴和裂缝,这些洞穴和裂缝后来坍塌,在陆地上和水下都形成了落水洞

" 中岛落水洞 " 就是休伦湖湖底的一个落水洞,它位于水面的 80 英尺以下,较浅的水深足以让沉积那里的蓝细菌进行光合作用。另外,中岛落水洞中的水富含硫且含氧量低,使得那里的环境与早期地球上的浅海环境非常相似。如今,寒冷、缺氧、富含硫的地下水渗入直径为 300 英尺的中岛落水洞底部,驱逐了大多数的植物和动物,但为某些特定的微生物创造了理想的家园。

在那里茁壮成长着的颜色鲜艳的细菌,可以成为早期地球上的单细胞生物的优秀参照。如下图所示的那样,紫色的产氧蓝细菌与白色的、以硫作为主要能源的硫氧化细菌会在那里相互 " 竞争 " 落水洞底部的表面。在早上和晚上,白色的硫氧化细菌会覆盖掉紫色蓝细菌,阻隔它们与阳光接触,从而阻止它们进行产氧的光合作用;但当日照水平增加到一定阈值时,硫氧化细菌就会后撤回进行光合作用的蓝细菌之下,使蓝细菌得以开始产生氧气。

2019 年 6 月,休伦湖的中岛落水洞中的紫色微生物垫。|图片来源:Phil Hartmeyer, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary

其实在更早的时候就有研究注意到过硫氧化细菌的这种在垂直方向上的迁移。直到这次,研究团队才首次将微生物的这种运动以及由此产生的氧气生成速率与地球在历史上的白昼长度的变化联系起来。

研究人员从落水洞中收集了微生物垫的样本并带回了实验室,并在实验中利用卤素灯模拟了不同的白昼长度,以观察在不同白昼长度下微生物垫的氧气释放量的变化。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

潜水采集休伦湖的中岛落水洞中的微生物垫样本。|图片来源:Phil Hartmeyer, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary

他们还进行了详细的建模研究,以试图用它来模拟远古时代的蓝细菌在全球范围内能产生多少氧气。在模型中,他们模拟了地球自转速度的逐渐变缓的情况,发现较长的白昼会增加早期蓝细菌垫的氧气释放量这表明白昼长度确实会影响微生物垫的氧气释放量。简单说来,白昼越短,可供氧气离开微生物垫的时间就更短。

研究人员认为,白昼长度和氧气释放量之间的这种联系可以推及到任何微生物垫生态系统上。他们得出的结论是:地球的自转速度对地球的氧化模式和发生时间具有重要影响,随着地球自转速度的减慢、白昼的变长,在类似的微生物垫上可能引发更多的光合作用,使氧气在古代海洋中积累并扩散到大气中

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