地球如何從氧含量極低變成富氧星球?與行星自轉速度放慢有關

作者 | 發布日期 2021 年 08 月 04 日 17:20 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


約 24 億年前微生物藍綠菌的出現,將原本充斥二氧化碳的地球改造成如今適合人類與其他生物生存的富氧環境。然而是什麼條件促使這些微生物提高生產力?新研究表明,早期地球氧氣增加可能與地球自轉速度放慢密切相關。

早期地球是一個相當不適合生物居住的地方,但約 24 億年前,光合放氧生物藍綠菌出現開始消耗二氧化碳並釋放氧氣,花了數億年時間從根本上改變地球大氣組成,把地球從一個氧含量極低轉變為目前大氣中約 21% 都是氧氣的星球,還消滅了當時以二氧化碳維生的生命,後世稱之為大氧化事件(Great Oxygenation Event)。

然而大氣中游離氧含量突然增加的大氧化事件如何發生、為什麼發生仍然是個謎,我們不完全明白是什麼因素控制了地球的氧化作用,直到研究湖底的藍綠菌時,地球微生物學家 Judith Klatt 有了想法。

科學家發現從黃昏到黎明這段時間,湖底以硫磺為食的細菌普遍位於藍綠菌上方,阻擋後者接觸陽光;等早晨太陽出來後食硫菌便向下移動,換藍綠菌往上升進行光合作用,只不過它們暖機時間有點長,真正進行光合作用的時間僅幾小時。密西根大學物理海洋學家 Brian Arbic 對此提出一個有趣的問題:日長變化是否會影響地球歷史上藍綠菌的光合作用?

當地月系統初形成時,地球白天可能短至僅 6 小時,隨著月球引力與潮汐力牽引,地球自轉速度減慢,白天才開始慢慢變長。由於地球自轉減速曾被中斷約 10 億年,當時全球氧氣長期處於低含量;約 6 億年前,地球自轉再次放緩時,全球氧氣濃度又發生了一次重大轉變,這讓研究人員更加著迷地球氧化模式與地球自轉速率之間的關聯。

總體來說,地球歷史上有 2 次氧氣濃度出現大幅度變動的點——大氧化事件與後來的新元古代氧化事件,模擬表明兩者都與日長增加有關,隨著日照長度增加提高光合生物藍綠菌的生產力,釋出的氧氣含量足以影響大氣組成。

新論文發表在《自然地球科學》(Nature Geoscience)期刊。

(首圖來源:馬克思普朗克研究所