地球的自转速度与氧化之间的可能联系

　　地球的自转速度与氧化之间的可能联系
　　J. M. Klatt, A. Chennu, B. K.Arbic, B. A. Biddanda and G. J. Dick
　　撰稿：储雪蕾
　　摘要：在地球历史的大部分时间里，生物和非生物对大气氧气主要变化的控制以及低氧时期的持续存在仍在争论中。对地球分步式氧化模型的解释大多忽略了与天长相关的昼夜光照动态变化的影响，由于潮汐摩擦引起的地球自转减速，天长随着地质时间的推移而增加。在这里，我们使用微传感器测量和蓝藻席界面溶质通量过程动态模型，来研究变化的天长对前寒武纪底栖生态系的影响。模拟跨越地球的历史范围天长增加促进了昼夜的底栖氧气输出，即使总的光合生产量保持不变。净生产力与天长之间的这种基本关系源于扩散的物质传输和昼夜光照动力的相互作用，并被代谢调节和微生物行为所放大。我们发现，由此产生的天长驱动的过剩有机碳掩埋可能影响了大和新元古代氧化事件期间发生的大气氧气的增加。我们建议的机制，通过提高净生产力将天长和大气氧的同时增加联系起来，揭示了行星力学对地球生物学和地球化学演化的可能贡献。我们发现，由此导致的天长驱动的过剩有机碳埋藏可能成就了大氧化事件和新元古代氧化事件期间发生的大气氧增加。我们给出了机制，通过提高净生产力将天长和大气氧的同时增加联系起来，揭示了行星力学对地球生物学和地球化学演化的可能贡献。我们发现，由此产生的天长驱动的过剩有机碳掩埋可能影响了大和新元古代氧化事件期间发生的大气氧气的增加。我们给出了机制，通过提高净生产力使天长和大气氧同时增加，揭示了行星力学对地球的生物学和地球化学演化的可能贡献。
　　地球的大气圈和海洋中游离氧（O2）的增加开启了好氧生命的演化1。微生物席的产氧光合作用（OP）是~2.4 Ga的大氧化事件（GOE）、随后的稳定低O2环境和~600 Ma新元古代氧化事件（NOE）大量O2的来源2。确定这种分步式氧化模型的生物3,4、构造5和地球化学6,7的机制仍然存在着争议。这里，我们探索以前未曾考虑的地球氧化模型与自转速率之间的联系，由于潮汐的摩擦地球自转在整个地质时期减速8,9。我们建立天长与来自微生物席的溶质输出通量之间的机制联系。类似元古代蓝藻席的实验测定和建模表明，更长的日照会增加底栖 O2的输出，改变好氧的和厌氧的再矿化之间平衡，从而提高一昼夜的有机碳（Corg）埋藏。我们然后调研了时间先后与大气O2（pO2为现在大气水平（PAL）分数）和天长增加型态之间非凡的相似性。我们发现天长增加好像会影响到地球的氧化，尤其是围绕着重大氧化事件，而且因此为现代世界的植物和动物演化的研究铺平道路。
　　天长更长增加净底栖O2输出通量
　　地球自转的周期现在是24小时，但是老于4Ga时可能低至6小时8,10,11。因此，自光合作用产生以来天长（daylength，即一个自转或昼夜周期）和日照周期可能已经增加了三倍多。这意味着在一昼夜内，光照动力学（增速和减速）发生重大变化。不考虑光照动力学和天长，总光合产量（GPP）的速率受即时光子通量控制。相当于一个昼夜Corg埋藏的净生产速率，是这个GPP和Corg消耗速率的结果。不像GPP，底栖生态系统的净生产预计受光照动力学变化的影响。在这样的系统中，净生产力速率不仅受即时光子通量作用，还受代谢的底物和产物通量的影响，这两个通量又受分子扩散控制。因此，代谢物的输入、输出和积累应该对天长敏感，由于光照动力学和扩散物质传输之间的相互作用。
　　图1. 比较12小时对24小时天长，模式化总O2生产、O2和H2S输出，以及Corg呼吸和埋藏的昼夜平均值的时间演变
　　a,在O2为25μM（pO2= 0.1）的水体下，纯OP（＂没有H2S的OP＂）系统中，被深度积分的总OP（ z OP，灰色填充）相当于两个天长，如果将一天时间视为昼夜周期的一部分，以分数表示。然而，昼夜分数对天长敏感，其间的输出被质量传输所调缓，在图中用光合作用最大（黑色虚线）和输出最大（蓝色和橙色虚线）之间持续时间来表现。b，由于天更长输出了更多的O2，生物席上有氧呼吸可用的O2（ zRaero）较少，因此 Corg的埋藏随着天长而增加。c，在存在由硫还原细菌的厌氧呼吸情况下，O2和 H2S 两者输出通量受天长调节，即使总光合作用和厌氧呼吸生成的硫化物产量与该模拟中光照动力学无关（＂OP SRB恒定＂）。d ,这里定义昼夜 Corg的埋藏通量为光合作用产生的 Corg，去掉了有氧和无氧呼吸（ zOP – zRaero– z Ranaero），而且等于O2和H2S输出收支之间的差（以相当Corg的量表示）。与b中昼夜收支相比， zRaero的减少是由于非生物的硫化物氧化（SOX），一个替代的O2汇。由于 zRanaero被设置为常数，总体效果保持：天更长的日子中生物席输出更多的 O2并保留更多的Corg。
　　我们开发了认识这种相互作用的模型，并首次探讨光合产物O2的输出通量意义。我们建模的框架12公式化表现底栖生态系，将它作为具有OP、不产氧光合作用（AP）、有氧呼吸（Raero）、硫酸盐还原（厌氧呼吸（Ranaero））和非生物硫化物氧化（SOX）的扩散-反应系统（扩展数据图1和补充的视频1）。从只有OP和Raero的一个简单的硅席开始，用相同的GPP速率模拟表明天更长产生了更高的输出通量，即O2向上覆水逃逸增加（图1a，b）。这种关系背后的机制明显是在总O2生产最大与输出最大之间持续时间上（图1a），该图明示物质传输的阻力是如何拖延O2的逃逸。限制输出的延迟表现天长更长一天的更小的一部分。更长的天数会建起更陡的O2梯度，因此具有更高的向上和向下的通量（扩展数据图2a）。在薄的生物席中，后者会与席的底物（如黄铁矿）相互作用，并可能在所保存的风化信息中13产生天长驱动的增加。天长驱动的O2通量增加也改变了席内可用O2的情况，大大提高脱离了Raero生成的Corg比例，从而降低了再矿化效率（图1b）。结果，天长与底栖系统的净生产力和可能长期的Corg埋藏速率相互影响，前者与短期（即昼夜）Corg过剩有关，而后者是一个全球pO2状态的关键决定因素1,14。总体而言，虽然GPP速率不受天长变化的影响，但通过分子扩散物理学来调节Corg的埋藏。
　　天长增加的O2输出比还原剂输出多
　　一个更实际的情况包括了Ranaero，作为Corg的另一个汇，实际上就是我们常说的硫酸盐还原。概念上，硫酸盐和硫化物，分别是底物和产物，可以与任何其他的氧化还原配对，例如Fe（III）/Fe（II）进行交换。我们关注硫循环是因为硫酸盐还原的演化开始早15，而且硫化物在前寒武纪沿海栖息地中短时间内很丰富16。我们首先选择Ranaero速率固定为一个恒定值的生物席情况，单独分割出天长对扩散驱动的硫化物输出动力学的影响（图1c）。像O2通量，还原剂输出通量是由席内的分子扩散，以及生产和消耗的速率（Ranaero和SOX）所掌控。后者是O2的另一个汇，因此与Raero是竞争的。结果，脱离了厌氧和需氧再矿化的Corg可以表示为O2和H2S 输出通量之间的差（图1c、d和扩展数据图1）。由于两种通量都随天长的增加而增加，因此SOX的速率下降。由于SOX的这种减缓作用，Raero对天长的敏感要比无还原剂的情况低。因此，增加O2输出对昼夜Corg埋藏速率的影响将会被所伴随的H2S输出的增加所抵消，但也没有被淹没（图1d）。为了进一步探索昼夜Corg埋藏的增加是否被保持，因为Ranaero受局部溶质动力学影响，我们施加了受O2和H2S抑制的硫酸盐还原菌（SRB），就像在现代生物席中所观察到的17-19。经过一系列的抑制强度考验，昼夜Corg埋藏随天长持续增加（图2和扩展数据图3）。
　　图2. 各种代谢和边界条件下底栖的昼夜O2输出和Corg埋藏通量的天长依赖关系
　　探索具有不同代谢的生物席天长效应，跨整个O2边界条件下（0-1pO2阴影区域；扩展数据图3和5）。a , O2输出通量在整个代谢情况和边界条件范围持续增加。测定了具有化学合成竞争性（＂MIS 实验的＂）蓝藻席的O2输出，实验确认它们的O2输出通量对天长的依赖。b，由于O2输出通量调制，昼夜Corg埋藏也随天长增长持续增加，尽管有Ranaero存在的情况下H2S输出增加起中和作用（图1）。显示的通量是相对18小时每种情况的值，对应着GOE之前的天长。所研究的各种代谢情况是：只有OP，没有Ranaero（＂无H2S的OP＂）纯需氧系统；具有不变的Ranaero系统，即不受变化的昼夜光照动力学影响（＂OP SRB恒定）；具有代谢复杂的Ranaero系统（＂OP SRB＂），对应着O2和硫化物局地变化，它们受光照动力学控制；以及具有AP和OP（＂OP SRB + AP＂）的生物席系统。硫化物抑制的OP系统表现超比例、陡的天长依赖，在扩展数据图8中显示。对O2和H2S适度抑制（＂OP SRB＂）的Ranaero情况，我们还研究了大范围可能合理的GPP水平（＂OP SRB净产量＂）。值得注意的是，GPP变化对埋藏的影响没用对O2输出那么明显。
　　鉴于地球的氧化还原景观是随整个地质时期的天长变化而变化，我们研究了天长驱动的昼夜Corg埋藏对水体中还原剂和O2可用程度的敏感性。昼夜O2输出和Corg埋藏的通量在所有O2边界条件下随着天长的增加而增加（图2）。水体中的O2增加对Raero有很强的增强作用，而对O2输出通量有负面影响。对于由Raero和Ranaero两者所决定的昼夜Corg埋藏速度来讲，水体中O2含量的影响是可变的（扩展数据图3）。取决于O2对Ranaero的抑制强度，Corg埋藏随着O2边界条件差异，或增加或减少。鉴于Ranaero对O2敏感，地球历史上pO2的负面影响被天长提高昼夜底栖Corg埋藏这个正面作用所淹没。
　　Corg埋藏随天长变化，为了探索可用的还原剂与Corg埋藏之间的相互作用，我们实验还包括了H2S作为电子供体的AP，它与OP是竞争的，基于生物席内还原剂和光照水平对GPP 的贡献20（扩展数据图4）。由于席中存在AP，较短的天长减少了一天输出O2的时段，因为AP需要时间去消耗局地的硫化物浓度，至低于OP 可能发生的阈值（扩展数据图5）。尽管总GPP（AP + OP）不受天长影响，但一天产O2时段随天长减少而显著地减少。同时，由于O2的抑制作用增强，Ranaero随天长而降低。尽管违反直觉，但 Raero会随着天长减少而降低，因为O2产量随着白天时段的增加而增加，对O2来讲SOX变得更具竞争力。因此，在整个上覆水的硫化物和O2含量范围上，我们发现与只有OP的系统相比，具有AP的系统Corg埋藏受天长调节幅度更大（图2）。有趣的是，如果同天长比较，昼夜Corg埋藏对还原剂边界条件的依赖是可以忽略不计的。因此，从昼夜Corg埋藏来看，不是水体的氧化还原条件，而是代谢构成了响应天长的底栖系统。
　　图 3. 微传感器测定所模拟的昼夜周期期间新采集的原封未动MIS席样品的岩芯
　　a,显示其中一个席的O2垂直剖面，整个模拟的昼夜（24小时）光线周期用彩图表现，图示表现净光合作用的O2生产延迟。用I表示席表面的光强（μmol photons m-2s-1）。b–e，深度剖面上O2（蓝色空心圆）、总硫化物（根据[H2S]和pH值计算；黑色空心正方形）、总OP和硫化物驱动的AP（分别为蓝色实心圆和黑色正方形）（每个深度测定次数n = 3–4），所选时间点（b-e）由a所示，揭示了导致延迟O2释放的构成和代谢变化的层叠。阴影区域代表垂直的席结构。尽管硫化物在光照（b和c）时被 AP 耗尽，但只有席的构成发生变化（d和e）时OP出现，无论延长光照与否。结果净O2生产的延迟与暴露在相似水体环境的四个单独的席样品，以及暴露在广泛硫化物和O2水平水体中另外七个席样品所观察到的一致（扩展数据图6）。通量的大小和延迟持续的时间取决于特定样品和水体的氧化还原条件。f，暴露于缺少硫化物的水体，仅有1µM O2的一个生物席样品的整个12-24 小时天长模拟期间测定了穿过底栖界面的瞬时输出通量（扩展数据图7）。图示这个关键的昼夜O2输出，它们随着天长增加而增加。
　　总体而言，我们表明净生产力，就是说底栖生态系短期的Corg埋藏，所以一个全球pO2来源力度的关键决定因素可能随着地球年龄增加天长而增加，不需要假设全球O2汇强度下降或GPP增加。然而，全球的GPP大小可能实际上有很大的变化，例如由于初级生产进化出新路径21、＂无聊的十亿年＂期间与风化有关氧化还原和磷酸盐的摆动6、大陆重组22、日照的长期变化23，或者甚至上升洋流引起的、与天长相关的海洋环流和营养供给的变化24。因此，我们评估了天长驱动的底栖O2输出增加对GPP速率的敏感程度。正如所预见的，O2输出表现对GPP的严重依赖，但是天长驱驶的Corg埋藏变化大大减小对GPP的敏感程度（图2）。这意味着底栖栖息地的面积覆盖，而不是由栖居者创造的GPP 演化，与天长驱动的结果是最相关的。
　　天长影响的实际验证
　　为了使天长调节的输出通量这个概念具体化，我们测定了一个现存的、类似元古代席的低O2环境，Middle IslandSinkhole（MIS）25，蓝藻席的光合作用和O2输出的速率。净O2生产始终仅发生在延长暴光时间之后（图3a）。夜间和早晨白色的硫氧化细菌（SOB）在席子顶部，减少了光合作用可使用的光26。蓝藻仅执行AP，从而耗尽 SOB层下方的硫化物（图3b、c）。O2生产突然在中午早期高光时段开动（图3d），与反射白光的SOB的向下迁移相吻合，这可能是由蓝藻的AP消耗硫化物引起（扩展数据图6a）。这种迁移仅在硫化物耗尽1-8小时的额外滞后之后被触发，具体取决于上覆水的O2和硫化物水平（扩展数据图6b）。蓝藻随后暴露于席表面更高的光子通量导致OP和AP的高速率，以及净O2出口开始。由于席的垂直结构在随后的较低光强度期间持续存在，OP和AP两者的速度仍然高（图 3e）。
　　化学合成的SOB调节了蓝藻局部光的可用性，并导致O2产生延迟，这意味着天长对来自具有竞争性光合和化学合成群落的生物席的净O2输出有着很强的影响。我们通过测定实验室模拟低O2条件下这些席在不同日照期间的净O2产量来评估这一预测（图2a和3f，以及扩展数据图7）。对于小于12小时的日照，没有O2产生，生物席是一个纯的O2汇。16小时（即太古代晚期）和更长的日照，O2的净输出出现，21小时（晚元古代）和24小时天长分别输出2和3倍，比16小时有更多的O2。
　　尽管在其他现存的席系统26观察到类似的竞争效应，但将这些类似的应用到前寒武纪生物席具有不确定性。然而，由于微生物席中氧化还原条件在昼夜时间尺度内剧烈变化，其他几种机制也会导致O2生产延迟。一些微生物组配备有机制来调节或延缓某些代谢过程发作20,27-29。类似于MIS席，在我们模拟过的席中暴露于硫化物27之后OP 延迟的恢复实情表明GPP和Corg埋藏随天长锐减（扩展数据图8）。总体而言，活的微生物席中质量传输限制、代谢调节和整个群落相互作用的综合影响加强了O2输出和Corg埋藏对增加天长的依赖（图2）。
　　受天长和相应昼夜O2动力学调节的Corg埋藏，概念上与在现代沉积物中经验观察的结果是一致，其中长期埋藏效率会随着暴露于O2的时间而下降14。随着天数越长，输出O2更多，Raero和Ranaero之间的比率降低（扩展数据图3），平均的昼夜O2渗透深度减小（扩展数据图2b），并且生物席的非光合层暴露于O2为白天较短的时间段（扩展数据图2c）。这表明天长也促进长期的Corg埋藏，而与天长对具有特定代谢特征呼吸过程的动态响应的影响无关。此外，必须考虑生物席吸积的速率，因为它们影响了Corg在好氧区的居留时间。现代生物席达到惊人的吸积速率30（例如，0.5-5mm/yr），类似于古代微生物岩31的估计值（0.5-15mm/yr）。考虑到更长的天数降低了当地的昼夜O2的可用性和提高埋藏效率，吸积速率会增加，从而可能建立起对长期埋藏的正反馈效应。这是因为这两个监管因素导致底栖Corg暴露于O2的时间更短，但时间尺度不同。因此，对于成长中的生物席来讲，天长对净生产力和长期埋藏的影响可能比我们模型中生物量不变的生物席更为显著。
　　转至氧化
　　变化行星自转的速率影响底栖输出通量，这个基本效应将适用大部分地球的光合历史，直到＂生物席世界＂ 结束32。定量评估需将全球的底栖Corg埋藏与地球自转速度一起参数化，从地质的代指标33,34和模型10,35推断它们在地球历史上下降。精确地重建自转速度目前是无法做到的，由于潮汐摩擦强度的不确定性，包括海洋的33,36、大气的10,37和固体地球潮35的影响。尽管对确切的模型没有达成共识，但根据归一化为天文力强度的海洋潮汐耗散速率在地球历史上很长一段时间必需低于现代速率，因为目前的速率意味着在~1.5Ga地球-月球相撞，对此没有证据36。最近考虑了大陆构造变化对潮汐耗散速率影响的模型表明，地球自转的减速在中元古代是最低33。另一个长期存在的假设甚至预测，由于一个共掁的大气热潮，在元古代是一个具有稳定的自转速率时期10,37。海洋潮汐和固体地球潮的消散造成自转减速，被依赖天长的大气的热潮所抵消37。这个假定的稳定期和随后天长显着的增加，分别与O2停滞的无聊十亿年和NOE吻合。地球的氧化模式与自转速率之间存在着显著的相关性（图4），因此引来我们定量地评估天长与氧化之间的潜在机制联系。
　　图 4. 地球天长和氧化的相互作用
　　a, 各种研究导出的天长模式值和经验值10,35,37,59，说明天长在元古代可能几乎是不变的。这与无聊的十亿年6吻合，而且地球在 NOE 时间段脱离＂共振锁＂。b，作为对天长变化驱动的滨海底栖的和陆地的Corg埋藏通量变化的回应，pO2全球储库准稳态的估计值。基于Bartlett和Stevenson的地球自转模型10，计算所提出的天长对微生物席通量的影响（a中的实线）。考虑天长为与GOE和NOE有关相当一部分的pO2变化，并导致了POE。为比较显示了氧化的概貌（灰色区域），改编于Alcott 等人6。由我们建模的情况导出通量，表现包括了Raero和Ranaero，以及只有氧，或部分OP和AP（即＂OP SRB＂和＂OP SRB+AP＂情况）的系统。具有代谢延迟机制或严重依赖O2埋藏的情况被排除在外，因为这些给出的pO2在0和1之间摆动，甚至在无聊的十亿年期间。阴影区域表现天长驱动的pO2的变化范围，依据底栖的滨海生物席覆盖了现代海洋面积的1.5-3.7%（相当于中元古代时期全球海洋Corg埋藏的20-50%）和大陆生物席覆盖大陆面积的5%。相应的全球 O2汇也被参数化，以中元古代pO2为0.1和0.01作为参照60。对于陆地生物席，我们假定它们埋藏Corg的95%与pO2通过侵蚀风化作用直接反应了，这代表了天长驱动的Corg埋藏对pO2的负反馈作用。
　　我们扩展我们的昼夜底栖Corg埋藏估计到地球历史的全球尺度。行星与地质尺度Corg通量的考量需要几个不确定的假设，因此我们的估计值表现影响pO2的自转速度的一个可能范围。为了定量地实施地球自转减速，我们使用了最近的一个模型10，该模型预示在2.2Ga之前减速，接着是中元古代时期的共振稳定，一直到~650Ma，而随后返回到减速，朝向现代的24小时天长。为建准稳态全球的pO2演化模型，我们考虑了天长驱动的全球Corg埋藏和溶质输出通量的变化与在底栖生物域之外O2汇的相互作用，换句话说就是变质和火山作用派生的气体和剥蚀风化造成大气圈的减少（扩展数据图1）。由于海底和中上层对总的海洋Corg埋藏量的相对贡献具有高度的不确定性38-42，我们将底栖一词表达为总的海洋埋藏的一小部分，假定是现代水平。海洋领域之外，我们考虑了前寒武纪陆地生物席的可能影响43。正如我们预期长期埋藏速率会大大低于昼夜Corg埋藏14，我们实现了一个基于风化的pO2和陆地昼夜之间负反馈，暗中影响着长期的Corg埋藏（扩展数据图1和9）。该分析显示，天长驱动的Corg埋藏变化可以解释GOE前后的O2含量的偏移量，无需假定大气的还原剂通量或GPP有任何变化（图4b）。在GOE之前的太古代（18小时天长）没有净Corg埋藏，这种生物席的情况支持在中元古代（21小时天长）有50%的全球海洋Corg埋藏，仅占现代海洋面积的3.7%（见方法）。现代大陆的排列，这生物席覆盖率轻轻松松地少于浅海区（7.5%）44，底栖光合的主要栖息地。天长效应意味着在大约0.55Ga增加到了~0.28pO2（图4b），这与早期的NOE和后来的古生界氧化事件（POE）一致，可能连到~0.4Ga大奥陶纪生物多样性事件（the Great OrdovicianBiopersity Event）2,45。
　　我们提出天长的变化重新平衡再矿化。与氧化事件联系起来正的碳同位素漂移，被解释为Corg埋藏增加的信号，是由增加GPP或降低再矿化效率导致46-48。在微生物席的情况下这些因素是怎样在同位素记录上留下烙印是不确定的，因为在现代生物席上观察到了溶解无机碳供给的质量传输限制和由此产生的可以忽略不计的同位素分馏49-51。然而，天长驱动O2输出和Corg埋藏的加强是与地质记录中风化作用和总有机碳含量的代指标一致（扩展数据图9）。尽管预计风化会增加，我们没有包括磷通量响应pO2的增加。增加风化会进一步促进全球初级生产的增加7,52——但对于给定的天长来讲，可能仅是很短时期的一次脉冲，然后又恢复到先前准稳状态的pO23,6。虽然营养供给和相应的GPP决定了pO2水平的绝对范围，天长对底栖埋藏的影响可能在POE之前已经成就了这个整体的氧化模型（图4b）。
　　总体而言，我们展示增加天长是净生产力的单调驱动力者，无论各种代谢参数如何不同和变化（图2）。由脱离或进入到共振锁所造成的、相对的天长突然变化，可能因此会是全球大氧化事件的触发因素之一。在这方面，我们提出的机制是类似于导致全球pO2收支失衡的其他突发事件，如板块构造（包括超大陆的形成）5,53-55或者海洋和陆地上生产力新现象4,45,56。由于受行星物理学支配的地球自转速率不与这些地质或生物的触发因素共享任何假设，所以天长效应运作与这些其它的地球绑定机制无关。即使我们假设自转速率渐步下降的更多，我们的研究清楚地表明净生产力会增加。以前的研究表明，O2的源和汇的逐渐变化可能导致pO2相对突然的改变，例如由于H2逃逸、日照量、大陆的磷供给、大陆生长或火山还原物质输入的那些6,23,47,57,58。天长影响的确切大小仍不确定，因为它依赖几个假设，特别是昼夜的和长期的埋藏效率之间关系，以及自转减速的详细模式。此外，除了与天长有关的陆地Corg风化的增加，我们没有考虑总生产力限定因素变化的影响，例如磷、日照或O2汇的强度。然而，天长驱动的底栖净生产力增加，这个特性是不需要如此的变化来引起pO2可观的变化。因此，地球-月球系统动力学，在地球的生物地球化学向一个充满氧世界的关键转变点上可能对全球的氧水平有重大影响。
　　校对：刘淇郡