喜欢呼吸氧气吗？感谢月亮。

如果时间旅行者能够回到古代地球，比如说大约 30 亿年前，他们最好带上生命支持设备。这是因为当时地球上的氧气非常稀薄，他们很快就会窒息。如果没有可呼吸的空气，时间探险者将无法存活足够长的时间来见证早期地球的另一个奇特之处——太阳大约每 16 到 17 小时就会升起一次。现在，一种新理论认为，短日和最低氧气之间的重叠可能不仅仅是纯属巧合。

长期以来，研究人员一直对地球氧气含量为何会随着时间的推移而缓慢上升感到困惑。地球最初几乎没有氧气，但大约 20 亿年前，氧气含量突然上升到目前水平的几个百分点左右——这一事件被称为大氧化事件。

接下来，氧气在科学家称之为“沉闷的十亿年”的时间段内趋于平稳，然后又急剧增加。我们该感谢谁创造了这么多可供呼吸的氧气？生物学家认为这应该归功于光合作用微生物，它们在从阳光中获取能量的同时释放氧气。

只是时间完全不对。这些微生物很可能在第一次氧气跃迁之前就进化了，目前还不清楚是什么在无聊的十亿年里减缓了它们的速度。

“如果产氧光合作用是推动氧气增加的原因，那么为什么它会在这么长的时间内停止增加，然后又重新开始呢？”德国莱布尼茨热带海洋研究中心生态学家和数据科学家阿琼·陈努说。

月球如何为地球提供氧气

多年来，人们提出了许多解释氧气激增的想法。吸收氧气的火山气体可能已经减少。或者也许早期环境缺乏蓝藻（产氧微生物）生长所需的营养物质。

但一个具有暗示性的巧合激起了马克斯普朗克海洋微生物研究所微生物学家朱迪思克拉特的好奇心：随着氧气含量的上升，白天变得越来越长。

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地球诞生之初，大约每六小时自转一圈。但随着海洋的形成，以及月球引力使海洋在地壳上来回晃动，摩擦逐渐延长了地球的自转时间，达到现在的 24 小时（而且白天的时间还在继续延长，每年增加十万分之一秒）。

但这种极其缓慢的减缓并不是持续的。一种常见的理论认为，两种潮汐，一种在海洋中，另一种在大气中，可能相互抵消和中和，使一天稳定在 21 小时，持续了大约 10 亿年——这种休战恰好与无聊的 10 亿年相吻合，氧气增加也随之而来。

克拉特与陈努接触，希望弄清楚那个时代的微生物如何应对更长的白昼。在密歇根大学从事博士后研究期间，她对微生物垫、薄至毫米的蓝藻层以及地球历史上大部分时间都附着在海岸岩石和沉积物上的大量其他生物非常熟悉。她猜测，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，氧气的产生取决于日照变化的速度。当地球自转过快时，蓝藻无法在黄昏到来之前达到最大氧气产量。但随着地球自转速度减慢，它们能够充分发挥产氧潜力。

“这种影响非常小，但数百万年来，每天在阳光下都会产生影响，我们认为这种影响具有全球性意义，”陈努说。该团队于周一在《自然地球科学》杂志上发表了他们的研究成果。

为了检验他们的简单模型是否符合现实的复杂性，潜水员从休伦湖打捞了微生物垫样本。这些微生物是复杂的菌落，包含多种类型的微生物，其中一些微生物与蓝藻争夺垫子顶部吸收阳光的最佳位置。

当研究人员利用人造光模拟 12、16、21 和 24 小时的白昼长度时，垫子在白昼最长的时间段内排出的氧气最多——事实上，比最初的模型预测的还要多。

展望未来寻找更多过去的线索

研究人员指出，他们的结论基于几个假设。例如，正如化石记录所表明的那样，微生物垫一定非常丰富。但研究人员对地球自转速度和过去氧气丰度的了解也相当模糊和间接。

“那是很久以前的事情了，”克拉特说，“最古老的岩石已有 38 亿年历史，而且非常稀有。”

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但如果地球自转的暂停确实与枯燥的十亿年一致，那么他们的理论就可以解决其余的问题。白天变长导致氧气增多，直到蓝藻能够克服地球吸收氧气的自然能力，引发大氧化事件。然后，地球自转稳定下来，持续了枯燥的十亿年。最后，白天又开始变长，氧气再次上升。很久以后，发芽的森林接管了这一局面，并将氧气提升到了现代水平。

克拉特说，之前解释大氧化事件的理论也可能有所贡献。新的日照长度理论增强了它们的影响，而不是与它们竞争。“可能还有无数其他机制同时在起作用，”克拉特说。

接下来，该团队希望其他研究人员能够完善他们对每日氧气产生如何导致大气长期变化的直接估计。他们还期待着仍未发现的古代岩石储藏，这些岩石可能成为早期地球的更清晰快照。未来任务中将回收的月球岩石可以更详细地记录月球如何通过潮汐减缓地球的旋转。这些证据中的任何一个都可以阐明地球自转与我们呼吸的空气之间的联系。

“我们希望这种机制可以成为思考这个无聊的十亿年问题的关键，”Chennu 说。