早期地球上更长的日子可能为复杂的生命奠定了基础

今天，氧气为地球上的大部分生命提供燃料，但并非总是如此。三十亿年前，这种气体在大气和海洋中非常稀少。知道为什么氧气变得充足可以阐明我们星球动植物群的进化，但科学家们一直在努力寻找一个让所有人都满意的解释。现在，一个研究小组提出了我们的星球绕地轴旋转的速度（定义了一天的长度）与古老的额外氧气产生之间的新联系。他们对地球早期的建模，结合了覆盖在休伦湖阳光照射下的浅坑底部的微生物垫的证据，得出了一个令人惊讶的结论：随着地球自转减慢，由此产生的更长的日子可能会触发更多类似垫的光合作用，允许氧气在古代海洋中积聚并扩散到大气中。今天在《自然地球科学》中描述的这一提议引起了一些科学家的兴趣。 “[地球上]氧气的增加很容易成为我们星球历史上最重大的环境变化，”未参与这项工作的加州理工学院地球生物学家伍德沃德·费舍尔说。这项研究提供了“一种全新的想法。它正在建立人们以前从未建立过的联系。”当大约 40 亿年前生命首次出现时，地球大不相同，那里有广阔的浅海，其唯一的生物是单细胞。许多早期微生物是蓝藻，它们可以在沉积物和岩石表面形成垫子，今天有时会导致藻类大量繁殖，对鱼类和其他水生动物来说是致命的。变成蓝藻的微生物很早就进化出了光合作用的分子机制，让它们将二氧化碳和水转化为糖和氧气。长期以来，研究人员一直认为这些微生物为地球提供了最初的氧气供应，历经亿万年，创造了一个有利于各种形式的有氧生命进化的环境。但他们总是不解，为什么第一个光合微生物（化石表明它们出现在大约 35 亿年前）和第一个关于氧气积累的良好地质证据之间相隔了大约 10 亿年。研究人员已经知道，通过模拟月球与地球的距离以及由此产生的大气和海洋潮汐，婴儿地球在其轴上的转动速度比现在快得多。许多人同意，45 亿年前，一天只有大约 6 小时。模型预测，到大约 24 亿年前，月球的引力使自转速度减慢到一天大约 21 小时。地球的自转速度在大约 10 亿年的时间里保持不变，因为它的引力抵消了月球的阻力。这些力在大约 7 亿年前失去平衡，因为地球和月球之间的共振周期并不完全稳定，而且地球的自转速度减慢到目前的速度，创造了 24 小时的一天，根据模型 2016 年，在一次偶然的建议下，马克斯普朗克海洋微生物研究所的生物地球化学家朱迪思·克拉特意识到地球自转速度的放缓反映了大气中氧气的大幅跃升。例如，氧气在大约 24 亿年前的大氧化事件中首次跃升，然后在 10 亿多年后的新元古代时期再次跃升。在大约 4 亿年前的古生代，大气中的氧气最终出现了大幅增加。作为密歇根大学安娜堡分校的博士后，Klatt 研究了生长在休伦湖中岛污水坑沉积物中的微生物垫。在那里，水很浅，蓝藻可以获得足够的阳光进行光合作用。缺氧的水和含硫气体从湖底冒泡，造成大致接近早期地球条件的缺氧条件。水肺潜水员收集了微生物垫的样本，在实验室中，Klatt 跟踪了它们在用卤素灯模拟的不同日长下释放的氧气量。暴露在光线下的时间越长，垫子释放的气体就越多。

激动的 Klatt 和莱布尼茨热带海洋研究中心的建模师 Arjun Chennu 建立了一个数值模型来计算古代蓝藻在全球范围内可以产生多少氧气。当微生物垫结果和其他数据被插入这个计算机程序时，它揭示了光照和微生物垫之间的关键相互作用。通常，微生物垫在夜间“呼吸”的氧气几乎与白天产生的氧气一样多。但是随着地球的自转速度减慢，额外的连续日光时间让模拟垫积累了过剩，将氧气释放到水中。结果，大气中的氧气在亿万年中跟踪了估计的白天长度：两者都以阶梯式上升，并有一个漫长的平台期。 0 0.25 0.5 0.75 1 地球年龄（数百万年前） 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 氧浓度（pO 2 ） 15 21 12 18 24 估计的日长（小时） 氧浓度（小时）年 加州大学河滨分校的生物地球化学家蒂莫西·莱昂斯 (Timothy Lyons) 表示，这种“优雅”的想法有助于解释为什么 35 亿年前蓝藻出现时，氧气并未在大气中积聚。因为那时白天的长度仍然很短，垫子中的氧气从来没有机会积聚到足以扩散出去。 “长时间的白天只会让更多的氧气逃逸到上覆水域，最终逃逸到大气中，”里昂斯说。不过，里昂和其他人说，许多因素可能导致氧气增加。例如，Fischer 怀疑自由漂浮的蓝藻，而不仅仅是贴在岩石垫上的蓝藻，也是大玩家。利兹大学地球系统建模师本杰明米尔斯认为，古代火山释放的结合氧的矿物质有时可能会抵消气体的早期积聚，因此应将其纳入氧气计算。尽管如此，改变日长“应该更详细地考虑，”他说。 “我会尝试将它添加到我们的地球系统模型中。”