我們知道，在如今的地球大氣中，氧氣的含量約佔21%，它對地球上大部分生命的重要性不言而喻。然而，這種情況並非一直如此。如果將時間撥回到30億年前，你會發現無論是在大氣中還是海洋裡，地表環境中的氧氣都是非常稀少的。
氧氣的增加無疑是地球歷史上最重大的環境變化之一，它為動植物的生命多樣性鋪平了道路。那麼，地球大氣中的氧氣是如何變得豐富的？在它變得豐富的過程中，又都受到了哪些因素的控制？這是眾多科學家希望能找到答案的重要問題，一直以來，他們都在試圖努力找到一個能令所有人滿意的解釋。
休倫湖湖底的一個落水洞內，一條淡水鱈魚躺在覆蓋著紫色和白色的微生物墊的岩石上。｜圖片來源：Phil Hartmeyer, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary
現在，一個國際研究小組提出了一種全新的解釋，他們通過分析休倫湖湖底的微生物墊，認為地球的自轉速度與遠古時期的氧氣產生有關。新的結果表明，隨著地球的自轉速度逐漸減緩，白晝時間也隨之變長，因此可能增加了由光合細菌釋放的氧氣量。這一結果發表在了近期的《自然-地球科學》雜誌上。
目前，科學家普遍認為地表的氧氣含量的上升可分為兩大步驟，第一次是發生在約24億年前的大氧化事件，第二次的氧氣激增事件則發生在此後的近20億年後，即新元古代氧化事件。
大約在40億年前，在廣闊的淺海中出現了一些單細胞生物。這些早期微生物中有許多是藍細菌，它們可以在沉積物和岩石表面形成像墊子一樣的群落。藍細菌是一類近來名聲不佳的細菌，它們給世界各地的許多水體都造成了難看且有毒的有害藻華，有時對水體中的魚類和其他生物能構成致命的威脅。然而，這些已經存在了數十億年的細菌是最早一批能夠從陽光中獲取能量，並通過光合作用產生有機化合物和氧氣的微生物。
一直以來，科學家普遍認為是這些能進行光合作用的微生物墊提供了最初的氧氣供應，並在漫長的歲月中創造了一個有利於各種形式的有氧生命進化的環境。但是，他們又總是感到困惑，為什麼從第一批光合作用的微生物到出現的最早能夠證明氧氣積累的地質證據之間，經過了大約10億年的時間。
過去，有科學家通過模擬地月距離以及由此產生的潮汐作用，得知了自地球形成以來，地球的自轉速度一直在緩慢下降。雖然地球現在每24小時完成一次自轉，但在大約45億年前，地球上一天的長度可能只有6小時。根據模型的推測，在大約24億年前，地球的自轉速度已經減緩到了每天21小時左右；接著，這一速度在接下來的約10億年裡大致維持不變；直到大約7億年前，地球的自轉速度降至了現如今的樣子。
論文的第一作者Judith Klatth正在將從休倫湖的中島落水洞中收集到樣本的頂部刮下微生物墊。｜圖片來源：Jim Erickson, University of Michigan News
在更早的時候，海洋微生物學家Judith Klatt意識到，地球自轉速度的放緩與大氣中的氧氣大幅增加的時機之間似乎有著某種聯繫。在Klatt於密歇根大學進行的博士後研究的階段，她曾觀察過生長在休倫湖的一個落水洞中的藍細菌群落。這讓她產生了一個新的想法。
顯示五大湖的地質情況的地圖。箭頭和紅色圓圈處所表示的是幾個被淹沒的休倫湖湖底的落水洞的位置，其中包括中島落水洞。｜圖片來源：Biddanda et al. 2012 & Granneman et al. 2000
休倫湖是北美五大湖中的第二大湖，它的底部是有著4億年曆史的石灰石、白雲石和石膏基岩，它們是從曾經覆蓋了大陸的海水中形成的。隨著時間的推移，地下水的流動溶解了一些基岩，形成了洞穴和裂縫，這些洞穴和裂縫後來坍塌，在陸地上和水下都形成了落水洞。
「中島落水洞」就是休倫湖湖底的一個落水洞，它位於水面的80英尺以下，較淺的水深足以讓沉積那裡的藍細菌進行光合作用。另外，中島落水洞中的水富含硫且含氧量低，使得那裡的環境與早期地球上的淺海環境非常相似。如今，寒冷、缺氧、富含硫的地下水滲入直徑為300英尺的中島落水洞底部，驅逐了大多數的植物和動物，但為某些特定的微生物創造了理想的家園。
在那裡茁壯成長著的顏色鮮豔的細菌，可以成為早期地球上的單細胞生物的優秀參照。如下圖所示的那樣，紫色的產氧藍細菌與白色的、以硫作為主要能源的硫氧化細菌會在那裡相互「競爭」落水洞底部的表面。在早上和晚上，白色的硫氧化細菌會覆蓋掉紫色藍細菌，阻隔它們與陽光接觸，從而阻止它們進行產氧的光合作用；但當日照水平增加到一定閾值時，硫氧化細菌就會後撤回進行光合作用的藍細菌之下，使藍細菌得以開始產生氧氣。
2019年6月，休倫湖的中島落水洞中的紫色微生物墊。｜圖片來源：Phil Hartmeyer, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary
其實在更早的時候就有研究注意到過硫氧化細菌的這種在垂直方向上的遷移。直到這次，研究團隊才首次將微生物的這種運動以及由此產生的氧氣生成速率與地球在歷史上的白晝長度的變化聯繫起來。
研究人員從落水洞中收集了微生物墊的樣本並帶回了實驗室，並在實驗中利用鹵素燈模擬了不同的白晝長度，以觀察在不同白晝長度下微生物墊的氧氣釋放量的變化。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。
潛水採集休倫湖的中島落水洞中的微生物墊樣本。｜圖片來源：Phil Hartmeyer, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary
他們還進行了詳細的建模研究，以試圖用它來模擬遠古時代的藍細菌在全球範圍內能產生多少氧氣。在模型中，他們模擬了地球自轉速度的逐漸變緩的情況，發現較長的白晝會增加早期藍細菌墊的氧氣釋放量，這表明白晝長度確實會影響微生物墊的氧氣釋放量。簡單說來，白晝越短，可供氧氣離開微生物墊的時間就更短。
研究人員認為，白晝長度和氧氣釋放量之間的這種聯繫可以推及到任何微生物墊生態系統上。他們得出的結論是：地球的自轉速度對地球的氧化模式和發生時間具有重要影響，隨著地球自轉速度的減慢、白晝的變長，在類似的微生物墊上可能引發更多的光合作用，使氧氣在古代海洋中積累並擴散到大氣中。
#創作團隊：
文字：糖獸
#參考來源：
https://www.mpg.de/17315311/0730-mbio-a-long-day-for-microbes-154772-x
https://news.umich.edu/lake-huron-sinkhole-surprise-the-rise-of-oxygen-on-early-earth-linked-to-changing-planetary-rotation-rate/
https://www.sciencemag.org/news/2021/08/totally-new-idea-suggests-longer-days-early-earth-set-stage-complex-life
#圖片來源：
封面：Pixabay
