航天员|地球究竟是如何成为唯一已知拥有富氧大气层的行星？航天员

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地球究竟是如何成为唯一已知拥有富氧大气层的行星？
地质线索表明，微生物可能早在30亿年前甚至更早开始通过光合作用释放氧气。但出于某种原因，氧气在大气中积累大约需要50亿年，然后又需要10亿年才能达到现代水平并为复杂的生命奠定基础。这些延误长期以来一直困扰着科学家。一些人提出化学反应消耗了大部分气体，或者缺乏必需的营养物质限制了它的产生。
太阳系形成后不久，一个火星大小的物体撞向地球，并喷出一团碎片，变成了月球。从那时起，来自我们天然卫星的阻力逐渐减慢了地球的自转速度，将地球年轻时的白天长度从大约6小时增加到今天的24小时。几十年来，科学家们已经知道这种放缓，并且正在继续完善细节。但很少有人将其与氧气水平联系起来，科学家想知道改变日长是否会影响地质时间的光合作用。
【航天员|地球究竟是如何成为唯一已知拥有富氧大气层的行星？】
休伦湖天坑中细菌垫中的气泡。
因为它由缺氧、富含硫的地下水补给，所以这个落水洞与早期地球的条件相似，拥有以紫色和白色垫子覆盖湖底的微生物群落。科学家研究了在夜间进行光合作用、产氧的蓝藻是如何隐藏在吃硫磺的竞争者之下的，以及两者如何在黎明和黄昏时互换位置。研究人员发现，它们交换地点的时间会在太阳升起和光合作用加速之间产生滞后，从而限制了垫子在短时间内产生的氧气量。事实上，科学实验表明，在人工12小时“天”中，垫子根本不产生氧气，并且氧气产量随着日长超过 16 小时而增加。
科学家最初怀疑天坑的结果是否有助于解释氧气的奥秘：这是一种非常特殊的社区，在古代地球上可能不存在。如果没有这样的竞争，日长的变化应该无关紧要，因为微生物将接受相同总量的阳光，只是以不同的增量传递。但最终科学家意识到有一个更基本的联系适用于任何种类的细菌垫，包括早期地球上的细菌垫：即使氧气产量保持不变，时间更长天将使更多的气体渗入水中，并最终渗入大气。
这是因为离开垫子的氧气量受到气体分子扩散出垫子的速度，以及垫子中其他种类细菌的消耗量的限制。更长的日子在阳光下有一个拉长的峰值，让更多的氧气在垫子中积聚，从而增加扩散。至关重要的是，更长的白天也让气体有更多的时间在夜幕降临之前逃逸，此时消耗氧气的微生物会消耗其余部分。该研究的建模结果表明，这些机制可能对地球历史上的大气氧含量产生了强烈影响。
这是“一个简单但优雅的想法” ，部分科学家表示这仍然存在重大的未知数，例如早期的光合细菌是主要生活在海底还是自由漂浮在水中，在那里它们可以更容易地释放氧气并且不太依赖扩散。许多过程合谋使大气充满氧气，而白天的长度肯定会有所贡献，只是这贡献很小。
其他可能的机制包括改变消耗氧气的火山气体（如氢气和甲烷）的排放，以及磷（光合作用必需的营养物质）的有限供应。有些科学家们忽略了昼长的作用。现在的挑战是评估“这个过程与我们所知道的关于全球氧气循环的其他事情的相对重要性。 ”
但是更多的科学家都对新结果与大气氧合历史的吻合程度印象深刻，包括著名的两步上升和其间的“无聊的十亿”年，当氧气水平持平，昼长也停滞在 21 小时。有趣的是，氧气积累的模式和地球自转速度减慢的速度似乎是同步发生的。
科学家奥尔森是少数提出昼长和氧气水平之间联系的人之一。在去年的一篇主要关注系外行星的论文中，她描述了地球自转随时间的变化可能如何影响海洋环流，从而影响促进光合作用的磷等营养物质的运输。奥尔森和她的学生现在正在用计算机模型探索这个想法。她说：“我认为它们是高度互补的，而不是竞争的想法。 ”