结合氧气浓度和自转速度的划时代研究与生命进化有关

潜水员正在接近位于米德尔岛thinkhall底部的紫色蓝藻。水槽洞深约23米，冰冷的水中硫磺浓度高，氧气少。这种状态被认为与数十亿年前的古代海洋相似。

地球的大气中含有大约20%的氧气。许多生命得以生存就是因为这个。但是，地质学记录表明，46亿年前地球的大气中几乎不含氧气，在24亿~ 22亿年前急剧增加。

其原因被认为是海中进行光合作用的蓝藻细菌（蓝色细菌）的数量增加了。但是，进行光合作用的微生物在更早之前就已经存在于地球上了，如果是这样的话，为什么这个时期氧气会大量增加呢？这是个很大的谜。

这一次，一个令人惊讶的关于这个谜团的新理论被公布了。德国马克斯普朗克海洋微生物研究所的 Judith Kratt 和密歇根大学的合作者表示，地球氧气激增是由于白天更长，也就是地球自转。也就是说，地球自转速度变慢了。

大气中氧气浓度的上升和自转速度的变化，分别经过了几十年的研究。但据论文所述，迄今为止还没有将两者结合起来考虑过。

地球自转变慢的原因

在讨论氧气浓度与自转速度的关系之前，我们先来解释一下地球自转变慢的原因。

在地球的历史上，一天的长度至今为止大幅增加。据说在30亿多年前的地球上，一天只有6个小时左右。现在，1天大约是24小时，这是地球自转经过长时间变慢的结果。

这种变化与潮水的涨落有关。在海边待过一天的人，大概都看到过海岸边涨潮的样子。这种看似平稳的运动，源自地球和月球之间产生的巨大能量。结果，大海产生潮汐，海水和海底产生摩擦。这就是所谓的“潮汐摩擦”。

潮汐摩擦会剥夺地球的旋转能量，因此自转速度会变慢，一天也会变长。由于这一过程极其缓慢，需要花费几亿年的时间，因此很难观测到一天的长度变化，而且也很难追踪海底的地质记录。

美国普林斯顿大学的行星科学家克里斯托弗·斯波尔丁说：“我们知道5亿5000万年前地球的自转速度是相当快的。因为从贝壳中的成长线可以看出一天的长度。”。

关于地球在远古时代的样子，美国加利福尼亚理工大学的行星科学家伍德沃德·费希尔说：“我们将使用模型进行验证。”，“一天的长度有定期变化的历史，并且知道这些变化的方向，但我们对细节知之甚少。”

重现地球自转速度的模型有很多，但根据从 1980 年代末开始使用的一个模型，白天的长度继续稳步增长，然后是大约25亿年前每天稳定在21小时之间。此后在数十亿年的时间并没有多大变化。

那时，地球的自转速度可能已经达到一种称为“共振锁定”的平衡状态。一些影响地球自转的力实际上会加速。随着太阳进一步加热地球的一侧并使海洋和大气膨胀，它施加的力会略微推进地球的自转。一旦这个力达到与减缓旋转的力相称的“神奇旋转速度”，它在此后的很长一段时间内都不会改变。

Kratt等人在此次研究中使用了该模型，结果发现一天的长度和氧气浓度的变化几乎是重叠的。“当我看到类似的氧气模式和自转速度时，我非常兴奋”，Kratt说。

日照时间对多方面的影响

蓝藻至今仍在地球的水中继续繁殖。而生活在美国五大湖之一休伦湖底的“米德尔岛thinkhall”微生物垫中的蓝藻，为研究小组提供了新的拼图。

米德尔岛thinkhall是一个深约23米的陷坑，这里的水含有高浓度的硫磺，而氧气却很少。科学家们推测，这种条件与数十亿年前的古代海洋相似。只要研究这个环境，就能大致把握古代生态系统的行为。

结果表明，在洞中含有蓝藻的微生物垫上，氧气的生产和消耗是极其对立的。

费希尔说：“蓝藻微生物非常接近零。它在产生大量氧气的同时，也在消耗大量氧气。”，“从这篇论文中可以看出，当时的状态已经到了极限，只有极少的氧气外泄。”

有趣的是，即使一天变长，蓝藻的光合作用效率也没有改变，但从蓝藻微生物上释放的氧气量却增加了。因为昼夜转换的速度变慢，日照时间变长，氧气就容易扩散。事实上，在Kratt的实验中，湖底的微生物样本在太阳下照射的时间越长，向大气中释放的氧气就越多。

美国佐治亚理工学院的地球生物学家德文·科尔说，这项研究也可能有助于考察其他行星上的生命进化。这次Kratt的研究，对于1天的长度对地球以外的生物圈和大气有怎样的影响，带来了更明确的见解。

在围绕其他恒星旋转的众多行星中，由于自转和公转的同步，有的一边是白天，另一边则是黑夜。“在这样的行星上，是否存在能够再生大气的生物圈呢?”，科尔说。

科尔还说，在关于氧气和生命诞生的研究中，“一天的长度并不是每个人都能立刻想到的观点。我认为着眼于这一点是很了不起的。”。