地球历史早期氧气含量的上升为动物生命的惊人多样性铺平了道路。但几十年来，科学家们一直在努力解释控制这一渐进和逐步过程的因素，这一过程持续了近 20 亿年。
现在，一个国际研究小组提出，地球早期日长的增加——年轻行星的自转随着时间的推移逐渐减慢，使白天变长——可能增加了光合蓝藻释放的氧气量，从而塑造了时间地球的氧化作用。
他们的结论的灵感来自一项对现代微生物群落的研究，该研究在水面以下 80 英尺的休伦湖沉洞底部极端条件下生长。Middle Island Sinkhole 的水富含硫而含氧量低，在那里繁衍生息的颜色鲜艳的细菌被认为是数十亿年前形成垫状菌落的单细胞生物的良好类似物，覆盖陆地和海底表面。
研究人员表明，较长的日照会增加光合微生物垫释放的氧气量。反过来，这一发现指出了地球氧合历史与其自转速率之间先前未被考虑的联系。虽然地球现在每 24 小时自转一次，但在地球初期，白天的长度可能只有 6 小时。
该团队的研究结果定于 8 月 2 日在《自然地球科学》杂志上发表。
主要作者是马克斯普朗克海洋微生物研究所的 Judith Klatt 和莱布尼茨热带海洋研究中心的 Arjun Chennu。Klatt 是密歇根大学地球微生物学家 Gregory Dick 实验室的前博士后研究员，他是该研究的两位通讯作者之一。其他合著者来自 UM 和 Grand Valley 州立大学。
“地球科学中一个经久不衰的问题是地球大气如何获得氧气，以及发生这种氧化时哪些因素控制着，”迪克在一艘 50 英尺长的 NOAA 研究船 R/V Storm 的甲板上说道。一个由科学家和潜水员组成的团队从密歇根州的阿尔皮纳镇到离岸几英里的中岛污水坑进行了一次样本采集之旅。
“我们的研究表明，地球自转的速度——换言之，它的昼长——可能对地球氧化的模式和时间产生了重要影响，”麻省理工学院教授迪克说。地球与环境科学。
研究人员模拟了地球自转速度的逐渐减慢，并表明更长的日子会增加早期蓝藻垫释放的氧气量，这有助于解释地球的两次重大氧化事件。
该项目始于密歇根大学地球与环境科学系的物理海洋学家布赖恩·阿尔比克 (Brian Arbic)，他听取了关于 Klatt 工作的公开讲座，并指出随着地质时间的推移，昼长变化可能在光合作用故事中发挥作用。迪克的实验室正在开发中。
如今，蓝藻受到了不好的批评，因为它们是困扰伊利湖和世界其他水体的难看且有毒的藻类大量繁殖的罪魁祸首。
但这些微生物，以前称为蓝绿藻，已经存在了数十亿年，是第一个弄清楚如何从阳光中捕获能量并利用它通过光合作用产生有机化合物的生物——释放氧气作为副产品。
大量生活在原始海洋中的简单生物被认为释放了氧气，后来导致多细胞动物的出现。这颗星球慢慢地从一个氧气含量极低的星球转变为目前大气中约 21% 的氧气含量。
在休伦湖的 Middle Island Sinkhole，紫色产氧蓝藻与白色硫氧化细菌竞争，这些细菌使用硫而不是阳光作为主要能源。
在中岛污水坑底部每天重复进行微生物舞蹈中，随着时间的推移和环境条件的缓慢变化，紫色和白色的薄膜状微生物争夺位置。白色的食硫细菌在早晨和傍晚物理覆盖紫色蓝藻，阻止它们接触阳光并阻止它们进行产氧光合作用。
但是，当阳光水平增加到临界阈值时，硫氧化细菌会迁移回光合蓝藻下方，使它们开始产生氧气。
之前已经观察到硫氧化细菌的垂直迁移。新的是，自然地球科学研究的作者是第一个将这些微生物运动和由此产生的氧气产生率与地球历史上不断变化的日长联系起来的人。
“Middle Island Sinkhole 垫子中的两组微生物竞争最上面的位置，硫氧化细菌有时会遮蔽光合作用活跃的蓝藻，”Klatt 在处理来自 Alpena 实验室的 Middle Island Sinkhole 微生物垫子的核心样本时说。“有可能是微生物之间类似的竞争导致了地球早期氧气生产的延迟。”
理解昼长变化与地球氧合作用之间的拟议联系的关键是，更长的白天延长了下午的高光期，使光合蓝藻产生更多的氧气。
“这个想法是，由于白天较短，下午的高光条件窗口较短，那些白色的硫食细菌将在一天中的大部分时间位于光合细菌的顶部，限制氧气的产生，”迪克说当船在波涛汹涌的水面上摇晃时，停泊在离中岛几百码的地方。
今天的休伦湖微生物被认为是古代生物的良好类似物，部分原因是中岛污水坑底部的极端环境可能类似于早期地球浅海中普遍存在的恶劣条件。
休伦湖的下方是 4 亿年历史的石灰岩、白云岩和石膏基岩，这些基岩由曾经覆盖整个大陆的咸水海形成。随着时间的推移，地下水的运动溶解了一些基岩，形成了洞穴和裂缝，后来坍塌，在阿尔皮纳附近形成了陆地和水下的落水洞。
今天，寒冷、缺氧、富含硫的地下水渗入了直径 300 英尺的中岛污水坑的底部，驱走了大多数植物和动物，但为某些特殊微生物创造了理想的家园。
Dick 的团队与大谷州立大学 Annis 水资源研究所的合著者 Bopaiah Biddanda 合作，多年来一直使用各种技术研究 Middle Island Sinkhole 地板上的微生物垫。在 NOAA 雷湾国家海洋保护区的潜水员的帮助下——该保护区以其沉船而闻名，但也是 Middle Island Sinkhole 和其他几个类似的所在地——研究人员将仪器部署到湖底以研究化学反应和生物学那里。
他们还将垫子样品带到实验室，在受控条件下进行实验。
Klatt 假设，基于氧气运输的物理学，日长和氧气释放之间的联系可以推广到任何给定的垫生态系统。她与 Chennu 合作进行了详细的建模研究，以将微生物垫过程与地质时间尺度上的地球尺度模式联系起来。
建模研究表明，事实上，白天的长度确实会影响垫子的氧气释放。
“简而言之，在较短的日子里，氧气离开垫子的时间更少，”克拉特说。
这导致研究人员假设更长的白天长度与增加的大气氧含量之间可能存在联系。模型表明，这种提出的机制可能有助于解释地球氧合的独特逐步模式，以及在地球历史的大部分时间里持续存在的低氧期。
在地球历史的大部分时间里，大气中的氧气含量很少，据信在两个广泛的步骤中增加了。大氧化事件发生在大约 24 亿年前，通常被认为是最早进行光合作用的蓝藻。近 20 亿年后，发生了第二次氧气激增，即新元古代氧化事件。
自从地球在大约 46 亿年前形成以来，地球的自转速度一直在缓慢下降，这是由于月球引力的无情牵引造成了潮汐摩擦。
该研究由美国国家科学基金会、马克斯普朗克学会和密歇根大学特纳奖学金资助。野外作业得到了 NOAA 五大湖环境研究实验室和 NOAA 的桑德贝国家海洋保护区的支持。
