如果时间旅行者能够回到远古地球，比如距今约三十亿年前，他们最好带上生命维持系统。因为那时地球上的氧气含量非常低，他们会很快窒息。没有可呼吸的空气，时空探险者将无法生存足够长的时间来见证早期地球的另一个奇特之处——太阳可能每 16 到 17 小时升起一次。现在，一项新理论认为，短昼夜和极低的氧气含量之间的重叠可能不仅仅是巧合。
长期以来，地球氧气含量似乎是断断续续上升的，这让研究人员感到困惑。地球最初几乎没有氧气，但在大约二十亿年前，其含量似乎突然跃升至当前丰度的百分之几——这个时期被称为“大氧化事件”。
接着，氧气含量在一个科学家称为“无聊的十亿年”的时间段内趋于稳定，随后又再次急剧增加。这一切可呼吸的氧气，我们该感谢谁呢？生物学家认为，这应归功于光合作用微生物，它们在利用阳光制造能量的同时会释放氧气。
只是时间点完全不对。这类微生物可能在第一次氧气激增之前很久就已经进化出来了，而且尚不清楚是什么可能在“无聊的十亿年”期间减缓了它们的活动。
“如果说产氧光合作用是氧气增加的驱动力，那么为什么它会停止增加这么长时间，然后又重新开始呢？”德国莱布尼茨热带海洋研究所的生态学家和数据科学家 Arjun Chennu 说道。
月球如何使地球富含氧气
多年来，已经出现了许多关于解释氧气激增的理论。例如，消耗氧气的火山气体可能已经减少。或者，早期环境中可能缺乏蓝藻（那些产生氧气的微生物）茁壮成长所需的养分。
但一个令人费解的巧合引起了 Judith Klatt 的好奇心，她现在是马克斯·普朗克海洋微生物研究所的微生物学家：随着氧气含量的升高，白昼也在变长。
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在其存在的早期，地球大约每六个小时自转一周。但随着海洋的形成，月球的引力搅动着这些海洋在地球地壳上来回涌动，摩擦力逐渐将地球的自转周期延长至我们现在的 24 小时（并且白昼还在继续变长，每年增长约万分之一秒）。
但是，这种极其缓慢的减速并不是恒定的。一种普遍的理论认为，两种潮汐——一种在海洋中，另一种在大气中——可能相互抵消，并将白昼稳定在 21 小时，持续了可能十亿年——这一“休战期”恰好与“无聊的十亿年”以及其首尾相连的氧气增加时期相吻合。
Klatt 联系了 Chennu，希望他能详细解释当时微生物如何应对更长的白昼。她从密歇根大学的博士后工作中得知，她非常熟悉微生物席，这些毫米厚的蓝藻和其他各种生物的层状结构，它们在地球历史的大部分时间里附着在沿海岩石和沉积物上。她怀疑它们的氧气产量可能取决于白昼长度。
Chennu 提出的模型表明，确实如此。至关重要的是，氧气产量取决于日照变化的速度。当地球自转过快时，蓝藻在黄昏到来之前无法达到最大氧气产量。但随着地球日自转减慢，它们能够充分发挥其产氧潜力。
“这是一个非常小的影响，但经过数百万年的每一次日照，它都可以产生我们认为具有全球意义的变化，”Chennu 说。该团队于周一在《自然·地球科学》杂志上公布了他们的研究结果。
为了将他们简单的模型与现实的复杂性进行对比，潜水员从休伦湖采集了微生物席样本。这些是复杂的菌落，包含多种微生物，包括一些与蓝藻竞争在菌席顶部占据有利日照位置的微生物。
当研究人员使用人造光模拟 12、16、21 和 24 小时的昼长时，微生物席在最长的昼夜中释放的氧气最多——实际上比最初的模型预测的还要多。
展望未来，寻找更多过去线索
研究人员指出，他们的结论基于几个假设。例如，微生物席必须非常普遍，正如化石记录所表明的那样。但研究人员对远古地球自转速率和氧气含量的了解也非常模糊和零散。
“那是非常久远的事情，”Klatt 说。“最古老的岩石有 38 亿年的历史，而且它们非常稀少。”
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但如果地球自转减速的停滞确实与“无聊的十亿年”相吻合，那么他们的理论就能解释其余的。更长的白昼导致更多的氧气，直到蓝藻能够克服地球吸收氧气的自然能力，从而引发大氧化事件。然后，自转稳定了“无聊的十亿年”。最后，白昼再次开始变长，氧气又一次增加。很久以后，茂密的森林兴起，将氧气推升至现代水平。
Klatt 说，解释大氧化事件的先前理论也可能有所贡献。新的昼长理论增加了它们的影响，而不是与其竞争。“可能同时存在着无数其他机制，”Klatt 说。
接下来，团队希望其他研究人员能够完善他们关于日产氧量如何导致大气长期变化的简单估算。他们还期待着尚未被发现的古代岩石宝库，这些岩石可能为早期地球提供更清晰的快照。而将在未来任务中取回的月球岩石，可能包含关于月球如何随着时间推移通过潮汐减缓地球自转的更详细记录。任何一条证据线索都可能阐明地球自转与我们呼吸的空气之间的联系。
“我们希望这种机制能成为思考‘无聊的十亿年’问题的关键，”Chennu 说。
