據媒體報導，地球上幾乎所有的氧氣都是由光合作用產生的，而藍藻是最早的光合放氧生物，當時我們的星球還是一個相當不適合居住的地方。藍細菌在24億年前進化，但地球只是慢慢轉變為我們今天所知的富氧星球。地質微生物學家Judith Klatt說：「我們並不完全了解為什麼花了這麼長時間，是什麼因素控制了地球的氧氣化。但是當研究密西根州休倫湖中Middle Island Sinkhole 中的藍藻墊層時，我有了一個想法，這些藍藻生活在與早期地球相似的條件下。」
Klatt與密西根大學Greg Dick領導的一個研究團隊一起工作。Middle Island Sinkhole 的水，即地下水從湖底滲出的地方，氧氣含量非常低。「湖底的生命主要是微生物，作為我們星球上數十億年來普遍存在的條件的工作模擬，」來自大峽谷州立大學的合作微生物生態學家Bopi Biddanda說。那里的微生物主要是產氧藍藻，與白色的硫氧化細菌競爭。前者利用陽光產生能量，後者則是在硫磺的幫助下。
為了生存，這些細菌每天都在進行一場小小的「舞蹈」。從黃昏到黎明，食硫細菌躺在藍藻的上面，阻擋它們獲得陽光的機會。當太陽在早晨出來時，食硫菌向下移動，藍藻上升到墊子的表面。”現在它們可以開始進行光合作用並產生氧氣，”Klatt解釋說。”然而，在它們真正開始行動之前需要幾個小時，在早晨有一個很長的滯後期。看來，藍藻是『晚起者』，而不是『早起者』”。因此，它們進行光合作用的時間每天只限於幾個小時。當密西根大學的物理海洋學家Brian Arbic聽到這種晝夜交替的微生物「舞蹈」時，他提出了一個有趣的問題。”這是否意味著，在地球的歷史上，日照時間的變化會對光合作用產生影響？”
地球上的日長並非一直是24小時。”Arbic解釋說：”當地球-月球系統形成時，白天要短得多，甚至可能短到6小時。然後，由於月球引力和潮汐摩擦的拉扯，我們星球的旋轉速度減慢了，日子就變長了。一些研究人員還認為，地球的旋轉減速被中斷了大約10億年，正好是全球氧氣水平長期低迷的時期。在那次中斷之後，當地球的旋轉在大約6億年前再次開始減速時，全球氧氣濃度發生了另一個重大轉變。
在注意到地球的含氧量和自轉率在地質時間尺度上的驚人相似性之後，Klatt對這兩者之間可能存在聯系的想法非常著迷–這種聯系超越了在Middle Island Sinkhole中觀察到的 “晚起者 “光合作用的滯後性。”我意識到，日照時間和微生物墊層的氧氣釋放是由一個非常基本的基本概念聯系起來的。在短日期間，有更少的時間來發展梯度，因此更少的氧氣可以從墊子中逃脫，”Klatt假設道。
Klatt與Arjun Chennu合作，後者當時也在馬克斯-普朗克海洋微生物研究所工作，現在在不萊梅的萊布尼茲熱帶海洋研究中心（ZMT）領導自己的小組。基於Chennu為這項研究開發的一個開源軟體，他們調查了陽光動態如何與墊子的氧氣釋放相聯系。 “直覺表明，兩個12小時的日子應該與一個24小時的日子相似。陽光上升和下降的速度是原來的兩倍，氧氣的產生也是同步進行的。但是細菌墊的氧氣釋放卻不是這樣，因為它受到分子擴散速度的限制。這種氧氣釋放與陽光的微妙脫鉤是該機制的核心，”Chennu說。
為了了解一天內發生的過程如何影響長期的含氧量，Klatt和她的同事將他們的結果納入了全球氧氣水平模型。分析表明，由於晝長的變化導致的氧氣釋放量增加，可能已經提升了全球的氧氣水平。這是微小生物體的活動與全球進程之間的聯系。「我們把在巨大的不同尺度上運作的物理學規律聯系在一起，從分子擴散到行星力學。我們表明，在晝夜長短和地面居住的微生物可以釋放多少氧氣之間存在著根本的聯系，」Chennu說。「這相當令人興奮。這樣我們就把微生物墊中分子的『舞蹈』與我們星球及月球的『舞蹈』聯系起來了。」
總的來說，地球歷史上的兩個主要的氧化事件（氧氣濃度的跳躍）–20多億年前的大氧化事件和後來的新元古代氧化事件–可能與日長的增加有關。因此，日照時間的增加可能提高了底棲生物的淨生產力，足以影響大氣中的氧氣水平。Klatt總結說：「與這種廣泛的時間和空間尺度打交道是令人費解的–也是非常有趣的。」
來源：cnBeta
