20多億年前地球氧氣劇增之謎，是因為一天變長了？驚人的新說

結合氧氣濃度和自轉速度的劃時代研究與生命進化有關

潛水員正在接近位於米德爾島thinkhall底部的紫色藍藻。水槽洞深約23米，冰冷的水中硫磺濃度高，氧氣少。這種狀態被認為與數十億年前的古代海洋相似。

地球的大氣中含有大約20%的氧氣。許多生命得以生存就是因為這個。但是，地質學記錄表明，46億年前地球的大氣中幾乎不含氧氣，在24億~ 22億年前急劇增加。

其原因被認為是海中進行光合作用的

藍藻細菌

（

藍色細菌

）的數量增加了。但是，進行光合作用的微生物在更早之前就已經存在於地球上了，如果是這樣的話，為什麼這個時期氧氣會大量增加呢？這是個很大的謎。

這一次，一個令人驚訝的關於這個謎團的新理論被公佈了。德國馬克斯普朗克海洋微生物研究所的 Judith Kratt 和密歇根大學的合作者表示，地球氧氣激增是由於白天更長，也就是地球自轉。也就是說，地球自轉速度變慢了。

大氣中氧氣濃度的上升和自轉速度的變化，分別經過了幾十年的研究。但據論文所述，迄今為止還沒有將兩者結合起來考慮過。

地球自轉變慢的原因

在討論氧氣濃度與自轉速度的關係之前，我們先來解釋一下地球自轉變慢的原因。

在地球的歷史上，一天的長度至今為止大幅增加。據說在30億多年前的地球上，一天只有6個小時左右。現在，1天大約是24小時，這是地球自轉經過長時間變慢的結果。

這種變化與潮水的漲落有關。在海邊待過一天的人，大概都看到過海岸邊漲潮的樣子。這種看似平穩的運動，源自地球和月球之間產生的巨大能量。結果，大海產生潮汐，海水和海底產生摩擦。這就是所謂的“

潮汐摩擦

”。

潮汐摩擦

會剝奪地球的旋轉能量，因此自轉速度會變慢，一天也會變長。由於這一過程極其緩慢，需要花費幾億年的時間，因此很難觀測到一天的長度變化，而且也很難追蹤海底的地質記錄。

美國普林斯頓大學的行星科學家

克里斯托弗·斯波爾丁

說：“我們知道5億5000萬年前地球的自轉速度是相當快的。因為從貝殼中的成長線可以看出一天的長度。”。

關於地球在遠古時代的樣子，美國加利福尼亞理工大學的行星科學家伍德沃德·費希爾說：“我們將使用模型進行驗證。”，“

一天的長度

有定期變化的歷史，並且知道這些變化的方向，但我們對細節知之甚少。”

重現地球自轉速度的模型有很多，但根據從 1980 年代末開始使用的一個模型，白天的長度繼續穩步增長，然後是大約25億年前每天穩定在21小時之間。此後在數十億年的時間並沒有多大變化。

那時，地球的自轉速度可能已經達到一種稱為“共振鎖定”的平衡狀態。一些影響地球自轉的力實際上會加速。隨著太陽進一步加熱地球的一側並使海洋和大氣膨脹，它施加的力會略微推進地球的自轉。一旦這個力達到與減緩旋轉的力相稱的“神奇旋轉速度”，它在此後的很長一段時間內都不會改變。

Kratt等人在此次研究中使用了該模型，結果發現一天的長度和氧氣濃度的變化幾乎是重疊的。“當我看到類似的氧氣模式和自轉速度時，我非常興奮”，Kratt說。

日照時間對多方面的影響

藍藻至今仍在地球的水中繼續繁殖。而生活在美國五大湖之一休倫湖底的“米德爾島thinkhall”微生物墊中的藍藻，為研究小組提供了新的拼圖。

米德爾島thinkhall是一個深約23米的陷坑，這裡的水含有高濃度的硫磺，而氧氣卻很少。科學家們推測，這種條件與數十億年前的古代海洋相似。只要研究這個環境，就能大致把握古代生態系統的行為。

結果表明，在洞中含有藍藻的

微生物墊上

，氧氣的生產和消耗是極其對立的。

費希爾說：“藍藻微生物非常接近零。它在產生大量氧氣的同時，也在消耗大量氧氣。”，“從這篇論文中可以看出，當時的狀態已經到了極限，只有極少的氧氣外洩。”

有趣的是，即使一天變長，藍藻的光合作用效率也沒有改變，但從藍藻微生物上釋放的氧氣量卻增加了。因為晝夜轉換的速度變慢，日照時間變長，氧氣就容易擴散。事實上，在Kratt的實驗中，湖底的微生物樣本在太陽下照射的時間越長，向大氣中釋放的氧氣就越多。

美國佐治亞理工學院的地球生物學家德文·科爾說，這項研究也可能有助於考察其他行星上的生命進化。這次Kratt的研究，對於1天的長度對地球以外的生物圈和大氣有怎樣的影響，帶來了更明確的見解。

在圍繞其他恆星旋轉的眾多行星中，由於自轉和公轉的同步，有的一邊是白天，另一邊則是黑夜。“在這樣的行星上，是否存在能夠再生大氣的生物圈呢？”，科爾說。

科爾還說，在關於氧氣和生命誕生的研究中，“一天的長度並不是每個人都能立刻想到的觀點。我認為著眼於這一點是很了不起的。”。