孙学军
地球自转变慢导致光合产氧增加可能是复杂生命进化的基础 精选
2021-8-4 16:41
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远古地球自转变慢增加了氧气,为复杂生命进化奠定了基础

今天地球上大部分生命都离不开氧气,但地球早期并非如此。30亿年前,氧气在地球大气和海洋中非常稀少。原始生命是最简单的单细胞生物,也都是厌氧生物,地球大气中氧气浓度迅速升高被成为大氧化事件,大氧化事件是导致地球上需氧生物产生和复杂生命形式进化的重要动力。

所以知道为什么氧气变得丰富,有利于解释球上动植物的进化,但科学家们一直在努力寻找一个让所有人都满意的解释。现在,一个研究小组提出了一种新的联系,认为地球自转的速度决定了一天的长度,与远古时期额外氧气的产生有关。他们对地球早期的建模,结合了覆盖在休伦湖一个阳光照射下的浅天坑底部的微生物席的证据,得出了一个令人惊讶的结论随着地球自转速度的减慢,由此产生的白天变长,可能会在类似的草席上引发更多的光合作用,使氧气在古代海洋中积累,并扩散到大气中。

 

今天发表在《自然地球科学》上的这一提议引起了一些科学家的兴趣。(地球上)氧气增加无疑是地球历史上最重大的环境变化,”加州理工学院的地质学家伍德沃德·费舍尔(Woodward Fischer)说。这项研究提供了“一种全新的想法”。它建立了一种人们从未建立过的联系。”

大约40亿年前,当生命首次出现时,地球已经大不相同了,广阔浅海中只有单细胞生物。这些早期微生物中有许多是蓝细菌,它们可以在沉积物和岩石表面形成垫子,今天有时还会导致对鱼类和其他水生动物致命的藻华。变成蓝藻的微生物很早就进化出了光合作用的分子机制,让它们将二氧化碳和水转化为糖和氧。研究人员长期以来一直认为,这些微生物为地球提供了最初的氧气供应,在漫长的岁月中创造了一个有利于各种形式的有氧生命进化的环境。但他们总是困惑,为什么从化石显示的35亿年前出现的第一批光合作用微生物,到第一批有充分地质证据表明氧气积聚之间,大约过了10亿年。

 

通过模拟月球与地球的距离以及由此产生的大气和海洋潮汐,研究人员已经知道,早期的地球自转速度比现在快得多。许多人认为45亿年前,一天只有6个小时。该模型预测,到大约24亿年前,月球的引力将自转速度减慢到每天21小时左右。地球的自转速度在大约10亿年里保持不变,因为地球的引力抵消了月球的阻力。这些力量在大约7亿年前失去平衡,因为地球和月球之间的共振周期不是完全稳定的,根据模型,地球的自转速度减慢到目前的速度,创造了24小时

 

2016年,在一个偶然的建议之后,马克斯·普朗克海洋微生物研究所的生物地球化学家朱迪思·克拉特(Judith Klatt)意识到,地球自转速度的放缓反映了大气中氧气的大幅飞跃。例如,氧气第一次跳跃是在24亿年前的大氧化事件期间,然后在10多亿年后的新元古代时期再次跳跃。在大约4亿年前的古生代,大气中的氧气最终大幅增加。

 

在密歇根大学安娜堡分校攻读博士后时,克拉特曾研究过休伦湖(Lake Huron)中岛天坑(Middle Island Sinkhole)沉积物上生长的微生物席。那里的水很浅,足以让蓝藻细菌获得足够的阳光进行光合作用。缺氧的水和硫磺气体从湖底冒出来,形成了与早期地球差不多的缺氧环境。

 

借助潜水员收集微生物垫样本,Klatt用卤素灯模拟不同的白天长度,跟踪他们释放的氧气量。他发现暴露在光线下的时间越长,垫子释放的气体就越多。

 

Klatt和莱布尼茨热带海洋研究中心的模型师Arjun Chennu很兴奋,他们建立了一个数值模型来计算古代蓝藻细菌在全球范围内能产生多少氧气。当微生物席的结果和其他数据被输入计算机程序时,它揭示了光照和微生物席之间的关键相互作用。

 

通常情况下,微生物席在夜间“吸入”的氧气几乎和它们在白天产生的氧气一样多。但随着地球自转速度的减慢,额外的连续日照时间使得模拟垫子积累了多余的氧气,将氧气释放到水中。结果,大气中的氧气在数世纪中追踪了估计的白昼长度:两者都以阶梯式上升,形成了一个漫长的高原。

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白天时间延长是否会增加了大气中氧气?

模型表明,地球上的氧气量是逐步增加的,从大约24亿年前的大氧化事件(GOE)开始,然后是一个“乏味的10亿年”的高浓度平台新元古代氧化事件(NOE)和古生代氧化事件(POE)中氧气再次上升。白昼长度以同样的阶梯式增长,这表明增加的光照促进了光合微生物的生长,促进了氧气的增加

 

加州大学河滨分校的生物地球化学家蒂莫西·莱昂斯(Timothy Lyons)说,这个优雅的想法有助于解释,为什么35亿年前蓝藻出现时,大气中没有氧气因为当时白天的时间还很短,所以垫子里的氧气从来没有机会积累到足够的量来扩散出去。长时间的白天只会让更多的氧气逸到上面的水域,最终进入大气层,里昂说。

莱昂斯等人认为还有更多因素可能导致氧气含量上升。例如,费希尔怀疑自由漂浮的蓝藻细菌是主要的参与者,而不仅仅是那些贴在岩石上的细菌。利兹大学的地球系统建模员本杰明·米尔斯(Benjamin Mills)认为,古代火山释放的含氧矿物有时可能与早期气体的积聚相抵消,因此应该考虑到氧气的计算中。

尽管如此,他说,改变白天的长度是需要更详细考虑的事情我会试着把它加入到我们的地球系统模型中。

 

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