研究称地球自转速度减慢可能影响了大气层的氧含量

摘要:

据外媒报道,地球上几乎所有的氧气都是由光合作用产生的,而蓝藻是最早的光合放氧生物,当时我们的星球还是一个相当不适合居住的地方。蓝细菌在24亿年前进化,但地球只是慢慢转变为我们今天所知的富氧星球。地质微生物学家Judith Klatt说:“我们并不完全了解为什么花了这么长时间,是什么因素控制了地球的氧气化。但是当研究密歇根州休伦湖中Middle Island Sinkhole 中的蓝藻垫层时,我有了一个想法,这些蓝藻生活在与早期地球相似的条件下。”

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Klatt与密歇根大学Greg Dick领导的一个研究团队一起工作。Middle Island Sinkhole 的水,即地下水从湖底渗出的地方,氧气含量非常低。“湖底的生命主要是微生物,作为我们星球上数十亿年来普遍存在的条件的工作模拟,”来自大峡谷州立大学的合作微生物生态学家Bopi Biddanda说。那里的微生物主要是产氧蓝藻,与白色的硫氧化细菌竞争。前者利用阳光产生能量,后者则是在硫磺的帮助下。

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为了生存,这些细菌每天都在进行一场小小的“舞蹈”。从黄昏到黎明,食硫细菌躺在蓝藻的上面,阻挡它们获得阳光的机会。当太阳在早晨出来时,食硫菌向下移动,蓝藻上升到垫子的表面。"现在它们可以开始进行光合作用并产生氧气,"Klatt解释说。"然而,在它们真正开始行动之前需要几个小时,在早晨有一个很长的滞后期。看来,蓝藻是‘晚起者’,而不是‘早起者’"。因此,它们进行光合作用的时间每天只限于几个小时。当密歇根大学的物理海洋学家Brian Arbic听到这种昼夜交替的微生物“舞蹈”时,他提出了一个有趣的问题。"这是否意味着,在地球的历史上,日照时间的变化会对光合作用产生影响?"

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地球上的日长并非一直是24小时。"Arbic解释说:"当地球-月球系统形成时,白天要短得多,甚至可能短到6小时。然后,由于月球引力和潮汐摩擦的拉扯,我们星球的旋转速度减慢了,日子就变长了。一些研究人员还认为,地球的旋转减速被中断了大约10亿年,正好是全球氧气水平长期低迷的时期。在那次中断之后,当地球的旋转在大约6亿年前再次开始减速时,全球氧气浓度发生了另一个重大转变。

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在注意到地球的含氧量和自转率在地质时间尺度上的惊人相似性之后,Klatt对这两者之间可能存在联系的想法非常着迷--这种联系超越了在Middle Island Sinkhole中观察到的 "晚起者 "光合作用的滞后性。"我意识到,日照时间和微生物垫层的氧气释放是由一个非常基本的基本概念联系起来的。在短日期间,有更少的时间来发展梯度,因此更少的氧气可以从垫子中逃脱,"Klatt假设道。

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Klatt与Arjun Chennu合作,后者当时也在马克斯-普朗克海洋微生物研究所工作,现在在不来梅的莱布尼兹热带海洋研究中心(ZMT)领导自己的小组。基于Chennu为这项研究开发的一个开源软件,他们调查了阳光动态如何与垫子的氧气释放相联系。 "直觉表明,两个12小时的日子应该与一个24小时的日子相似。阳光上升和下降的速度是原来的两倍,氧气的产生也是同步进行的。但是细菌垫的氧气释放却不是这样,因为它受到分子扩散速度的限制。这种氧气释放与阳光的微妙脱钩是该机制的核心,"Chennu说。

为了了解一天内发生的过程如何影响长期的含氧量,Klatt和她的同事将他们的结果纳入了全球氧气水平模型。分析表明,由于昼长的变化导致的氧气释放量增加,可能已经提升了全球的氧气水平。这是微小生物体的活动与全球进程之间的联系。“我们把在巨大的不同尺度上运作的物理学规律联系在一起,从分子扩散到行星力学。我们表明,在昼夜长短和地面居住的微生物可以释放多少氧气之间存在着根本的联系,”Chennu说。“这相当令人兴奋。这样我们就把微生物垫中分子的‘舞蹈’与我们星球及月球的‘舞蹈’联系起来了。”

总的来说,地球历史上的两个主要的氧化事件(氧气浓度的跳跃)--20多亿年前的大氧化事件和后来的新元古代氧化事件--可能与日长的增加有关。因此,日照时间的增加可能提高了底栖生物的净生产力,足以影响大气中的氧气水平。Klatt总结说:“与这种广泛的时间和空间尺度打交道是令人费解的--也是非常有趣的。”

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