更多的日光有助于氧氣從微生物層中逃逸。

休倫湖中島的天坑內(nèi)，一條波博特魚在覆蓋著紫色和白色微生物墊的巖石上休息。

(圖片來源:美國國家海洋和大氣管理局雷鳴灣國家海洋保護(hù)區(qū)菲爾·哈特邁耶)

關(guān)于地球是如何成為一個富氧星球，現(xiàn)在有了一個新的觀點:隨著地球自轉(zhuǎn)放緩，微生物沐浴在更長時間的陽光中，這加快了它們向大氣中釋放氧氣的速度。

你可以隨意的進(jìn)行呼吸，因為數(shù)十億年前，地球上的第一個生命——密集的藍(lán)藻群，開始通過光合作用產(chǎn)生氧氣。但科學(xué)家仍不確定是什么引發(fā)了兩次變革性的充氧事件，使地球從一個低氧的星球變成一個富氧、并且復(fù)雜生物可以進(jìn)行進(jìn)化與多樣化的世界。

?現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)確定了一個可能刺激微生物產(chǎn)生氧氣的釋放的重要因素:大約在24億年前開始的地球自轉(zhuǎn)放緩。地球在剛誕生的時候旋轉(zhuǎn)得更快，幾小時就轉(zhuǎn)完一圈，但在數(shù)億年的時間里，它逐漸減速。根據(jù)一項新的研究顯示，一天的長度會達(dá)到一定的閾值，可能在那些關(guān)鍵的氧化時間里，更長時間的光照使更多的氧氣分子從高濃度區(qū)域(細(xì)菌墊)擴散到濃度較低的區(qū)域(大氣)。

最近，科學(xué)家在休倫湖底部的一個天坑中發(fā)現(xiàn)了有關(guān)這種聯(lián)系的線索。休倫湖與美國的密歇根州和加拿大的安大略省接壤，是世界上最大的淡水湖之一。湖中的中島天坑直徑300英尺(91米)，位于水面以下約80英尺(24米)。在那里，富含硫的水滋養(yǎng)了色彩斑斕的微生物，這些微生物在低氧環(huán)境中茁壯成長，就像地球上最早的細(xì)菌一樣。

在天坑寒冷的深處生活著兩種微生物: 通過光合作用產(chǎn)生氧氣、尋找陽光的紫藍(lán)藻細(xì)菌和消耗硫并釋放硫酸鹽的白色細(xì)菌。這些微生物一整天都在爭奪位置，早晨和晚上，這些吃硫的細(xì)菌會覆蓋它們的紫色鄰居，阻止紫色微生物接觸太陽。然而，當(dāng)日光最強時，白色微生物避開光線，深入地洞，使紫藍(lán)藻暴露在外，從而能夠進(jìn)行光合作用并釋放氧氣。

?研究人員在寫道，數(shù)十億年前，微生物群落之間可能也存在類似的競爭，產(chǎn)氧細(xì)菌的微生物鄰居阻礙了它們照射陽光。然后，隨著地球上的白晝變長，氧氣制造者在陽光下的時間也增加了，并向大氣中釋放了更多的氧氣。

“我們意識到在光動力學(xué)和氧氣釋放之間有一個基本的聯(lián)系，這個聯(lián)系基于分子擴散物理學(xué)?！碑?dāng)熱變化導(dǎo)致分子從高濃度地區(qū)遷移到低濃度地區(qū)時，該研究的主要作者、來自德國不來梅馬克斯·普朗克海洋微生物研究所的研究科學(xué)家朱迪思·克拉特說。

克拉特在一封電子郵件中告訴《生活科學(xué)》雜志:“即使每小時產(chǎn)生的氧氣量相同，但更短的一天會讓更少的氧氣逃離墊子?！?/p>

6月，休倫湖中央島天坑內(nèi)紫色微生物席。小山丘和像墊子上這樣的“手指”是由甲烷和硫化氫等氣體在它們下面冒出來造成的。(圖片來源:美國國家海洋和大氣管理局雷鳴灣國家海洋保護(hù)區(qū)菲爾·哈特邁耶)

自旋周期

?現(xiàn)在，地球每24小時繞地軸完成一次完整的自轉(zhuǎn)，但在40億年前，一天只持續(xù)大約6個小時，研究人員報告說。數(shù)十億年來，地球與月球持續(xù)的舞蹈被一種稱為潮汐摩擦的過程減緩了地球的自轉(zhuǎn)。

當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)時，月球(太陽也在較小的程度上)吸引著地球上的海洋。這項研究的合著者、密歇根大學(xué)文學(xué)、科學(xué)和藝術(shù)學(xué)院地球與環(huán)境科學(xué)系的教授布萊恩·阿比克(Brian Arbic)說，這將海洋拉伸，使它們遠(yuǎn)離地球中心，從自轉(zhuǎn)中吸取能量，并使其減速。

這種減速很小，但在數(shù)億年的時間里，它增加了幾個小時的日照;Arbic在一封電子郵件中告訴Live Science說，如今這種放緩仍在繼續(xù)。

阿比克說:“潮汐摩擦?xí)^續(xù)減慢自轉(zhuǎn)速度——隨著地質(zhì)時間的推移，白天將繼續(xù)變長?！?/p>

在休倫湖的中島天坑里，一名潛水者觀察著覆蓋在巖石上的紫色、白色和綠色的微生物。(圖片來源:美國國家海洋和大氣管理局雷鳴灣國家海洋保護(hù)區(qū)菲爾·哈特邁耶)

呼吸新鮮空氣

研究人員模擬了不同的白晝長度和氧氣從微生物層逃逸的情景。當(dāng)他們將他們的模型與從中島天坑取樣的競爭微生物席的分析進(jìn)行比較時，他們發(fā)現(xiàn)證實了他們的預(yù)測:光合作用的細(xì)菌在白天更長時釋放更多的氧氣。

?這并不是因為微生物的光合作用更多;研究報告的合著者、布萊梅萊布尼茨熱帶海洋研究中心的研究科學(xué)家Arjun Chennu說，相反，這是因為更長時間的陽光意味著更多的氧氣在一天內(nèi)從墊子中逸出。

Chennu在一份聲明中說:“陽光釋放氧氣的微妙解耦是該機制的核心?！?/p>

地球大氣層的行星形成和冷卻成形后,大約46億年前,而主要是由硫化氫、甲烷和二氧化碳(CO2) - 200倍的二氧化碳在大氣中存在的今天,根據(jù)史密森環(huán)境研究中心。

在大約24億年前的大氧化事件(GOE)之后，這一切都發(fā)生了變化，接著是大約20億年后的新元古代氧化事件，使大氣中的氧上升到現(xiàn)在的約21%的水平。這兩個氧化事件以前被認(rèn)為與光合作用藍(lán)藻的活動有關(guān)，而這一新證據(jù)表明，另一個因素可能是地球上的白天——“一個以前基本上未被考慮的因素”——變得足夠長，從而觸發(fā)微生物席釋放更多氧氣，“與之前提出的其他氧合驅(qū)動因素并行”，克拉特說。

BY: Mindy Weisberger

FY: 尹怡婷

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