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地球科學

自轉變慢 地球存氧

2021-12-01 羅森(Julia Rosen)
新研究顯示地球自轉速度改變,可能是大氣層積累豐富氧氣的關鍵。
▲生機盎然:生長在美國懷俄明州黃石湖(Yellowstone Lake)的藍綠菌,是最早進行光合作用的史前物種,釋出氧氣進入大氣層。

在北美洲休倫湖底一處滲穴(sinkhole)裡,當克拉特(Judith Klatt)開始研究色彩繽紛的原始微生物層時,為的是想更了解地球的早期生態系。結果,這位德國馬克士普朗克海洋微生物學研究所的生物地球化學家,解答了一個地質學的大哉問:地球究竟如何成為唯一已知大氣層富含氧氣的行星?


地質線索顯示,可能早在30億年前或甚至更早,微生物就已開始透過光合作用釋出氧氣。但不知何故,大氣層積聚氧氣需時5億年,接著又過了10億年,大氣層的氧氣含量才達到現代濃度,並奠定複雜生命誕生的基礎。科學家長久以來困擾為何其間經歷這麼久的時間。有些科學家提出,是因為化學反應消耗大部份氣體,或者是因為缺乏必需養份而限制氧氣生成量。


克拉特的團隊從滲穴研究得到靈感,他們發表在今年8月《自然.地球科學》(Nature Geoscience)的論文提出另一種可能性:早期地球的一天太短了。


太陽系形成後不久,某一火星大小的天體撞擊地球,大量碎片噴出而形成月球。自那時起,地球的自轉速度受到天然衛星的引曳逐漸減慢,地球上一天的時間長度從6小時左右漸增至現今的24小時。幾十年以來,科學家都知道這個現象,並且持續深入研究。但過去很少有人把此現象和氧氣含量做連結,直到論文共同作者、美國密西根大學海洋學家阿爾比克(Brian Arbic)聽聞克拉特在休倫湖進行滲穴研究,好奇地質年代上一天時間長度的長期變化是否影響光合作用。


因為滲穴的水源是貧氧且富硫的地下水,類似早期地球的環境條件,生存其中的微生物菌落在湖底形成紫色和白色的菌層。克拉特的團隊研究了能行光合作用製造氧氣的藍綠菌,在夜晚如何藏身於競爭者嗜硫菌下方,以及兩者在黎明和黃昏時如何互換位置。研究人員發現,它們互換位置所需的時間,造成「日出時間」和「光合作用開始」的時差,限制了菌層在一天內能製造的氧氣。事實上,克拉特在實驗室環境中展示,當一天只有12小時,菌層完全沒有製造出氧氣,而當一天超過16小時,氧氣生成量隨著一天時間長度漸增。




▲時差循環:北美洲休倫湖(Lake Huron)滲穴的菌層冒出氣泡,那裡的藍綠菌和嗜硫菌競爭生存空間。


起初,克拉特懷疑滲穴研究是否有助於解開氧氣之謎。她說:「這種非常特殊的菌落可能並不存在早期地球上。」如果菌種之間沒有競爭關係,一天時間長度的改變並不造成影響,因為微生物接收到的陽光總量相同,只是各時段生成的氧氣量不同。但最後(經過一段她稱做「令人尷尬地漫長」時間思考後),克拉特意識到:即使氧氣生成量保持不變,一天時間長度比較長,代表比較多氣體能滲逸至水中,且最終進入大氣層。這適用於任何種類的菌層,包括早期地球的菌層。


原因在於,菌層釋出的氧氣量受限於氣體分子的擴散速度,以及菌層內其他菌種消耗掉多少氧氣。假若一天時間長度比較長,陽光高峰值也比較長,積聚在菌層中的氧氣濃度也會較高,進而加速擴散作用。重點是,假如一天時間長度比較長,在黑夜降臨、微生物消耗水中的氧氣之前,氣體才有較多時間可逸散出水面。該研究的模擬結果顯示,此機制可能對地球長久以來的大氣層氧氣含量造成重大影響......


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