出处：《科学美国人》2021年11月刊
作者：朱莉娅·罗森
(地球自转的变化可能影响了大气中气体的积累)
朱迪思·克拉特开始研究休伦湖底天坑中生活的原始微生物的彩色垫子时，她认为她可能会了解到一些关于沃特早期生态系统的知识。相反，不来梅马克斯·普朗克海洋微生物学研究所（Max Planck Institute for Marine Microbiology）的生物地球学家克拉特（Klatt）最终面临了一个尚未解决的最大谜团：确切地说，地球是如何成为已知的唯一一个拥有富氧大气的行星的？
地质线索表明，微生物可能早在30亿年前甚至更早就开始通过光合作用释放氧气。但出于某种原因，这种氧气在大气中积累需要5亿年，然后再过10亿年才能达到现代水平，为复杂的生命奠定基础。这些问题长期困扰着科学家。一些人提出，化学反应消耗了大量的气体，或者缺乏必需的营养物质机会限制其生产。
现在，受天坑工作的启发，克拉特和她的同事们找到了另一种可能的解释，他们在《自然地球科学》中描述了这一点：早期地球的一个昼夜（一天）太短了。
太阳系形成后不久，阿马斯大小的物体坠入地球，并喷出碎片，形成月球。从那以后，来自月球的阻力逐渐减缓了地球的自转速度，将一天的时间从地球年轻时的6小时左右增加到今天的24小时。几十年来，科学家们已经知道了这一现象，并正在继续研究细节。但在密歇根大学海洋学家布莱恩·阿尔比奇听到《休伦辛克湖的研究》之前，很少有人将其与氧气水平联系起来。这篇新论文的合著者阿比克想知道，随着地质时间的推移，日照长度的变化是否会影响光合作用。
由于它是由贫氧、富硫的地下水补给的，所以这个天坑接近地球早期的条件，拥有微生物群落，这些微生物群落覆盖着湖底的紫色和白色垫子。克拉特和她的同事研究了光合、产氧蓝藻在夜间如何隐藏在以硫为食的竞争对手之下，以及这两种细菌在黎明和黄昏时如何互换位置。研究人员发现，它们进行位置交换的时间会在太阳升起和光合作用加速之间产生延迟，从而限制了它们在短时间内产生的氧气量。事实上，克拉特在实验室表明，如果一天只有12小时，根本不产氧，产氧量随着时间的延长而增加，至少一天应超过16小时。
克拉特起初怀疑这些研究结果是否有助于解释氧气的奥秘。“这是一种在古代地球上可能不存在的非常特殊的群落类型，”她说。如果没有这种竞争，白天长度的变化应该不会太大，因为微生物只会接受以不同增量传输的相同总量的阳光。但最终，克拉特意识到有一个更基本的联系将适用于任何种类的细菌，包括早期地球上的细菌：即使氧气生产保持不变，越长的一天时间将允许更多的气体渗入水中，并最终进入大气，变成氧气。
氧气量受到气体分子扩散的速度以及其他种类细菌消耗的粘液的限制。长时间的白天在阳光下有一个延长的峰值，让更多的氧气在夜间积聚，从而增加扩散。关键是，白天越长，气体在夜幕降临之前也有更多的时间，吞噬氧气的微生物会吞噬其余的气体。该研究的模拟结果表明，这些机制可能对地球历史上的大气氧气水平产生了强烈影响。
这是“一个简单但优雅的想法，”加州大学河滨分校的生物地球化学家Stimothy Lyons说，他没有参与这项研究。Lyons说，还有一些非常重要的未知因素，例如早期的光合细菌是生活在海底的最远处，还是在水中自由漂浮，在那里它们可以更容易地释放氧气，而不太依赖扩散。
其他可能的机制包括：改变耗氧气体（如氢和甲烷）的排放，以及限制磷酸的供应，磷酸是光合成所必需的营养素。英国利兹大学（University of Leeds in England）的地球进化建模师本杰明·米尔斯（Benjamin Mills）说，令他感到惊讶的是，科学家们大多忽视了日长的作用。
米尔斯和普渡大学天体生物学家斯蒂芬妮·奥尔森（Stephanie Olson）对新结果与大气氧化历史的吻合程度印象深刻，包括著名的两步上升和其间的“无聊的十亿”年，当氧气水平平缓时，白天的长度也停滞在21小时。“有趣的是，氧气积累的模式和地球自转速度减慢的速度似乎是同步发生的，”奥尔森说。
奥尔森是为数不多的提出日照长度和氧气水平之间关系的人之一。在一篇主要关注系外行星的2020年论文中，她描述了地球自转随时间的变化可能影响海洋循环，从而影响营养物质的运输，例如为光合作用提供燃料的磷。奥尔森和她的学生现在正在用计算机模型探索这个想法。奥尔森说，这种机制和克拉特的机制本可以在音乐会上发挥作用：“我认为它们是高度互补的，而不是相互竞争的。”
布来梅莱布尼兹热带海洋研究中心的生态学家阿琼·陈努（ArjunChennu）与克拉特（Klatt）共同领导了这项研究，他对厄里斯自转和大气含氧量之间的联系感到惊讶。他说，从行星的运动到分子的运动，“这些相互作用产生影响的尺度范围是疯狂的。”
朱莉娅·罗森