地球自轉的變化主要分為自轉軸瞬時位置(也稱為極移)和速率的變化，其中自轉速率的變化通常使用日長（一天的時長，即白晝和黑夜總時長）來表示。由於地球自轉變化的不規則性，沒有一天是標準的24小時 (圖1)。日長在不同的時間尺度下會表現不同的變化特徵，由於日月引力引發的地球上的潮汐摩擦現象造成的地球自轉速率長期減速的現象在地質時間尺度上稱為潮汐加速效應(Tidal acceleration)，這一現象在一些貝殼類化石中已有發現。那麼，相對於現今的一天而言，地球在地質歷史時期一天時長不足24小時，甚至只有十幾個小時；例如有研究認為14億年前的元古宙中期一天時長約為18小時 (Meyers and Malinverno, 2018)。
圖1 日長觀測時間序列。黑色曲線表示觀測值，紅色曲線表示長趨勢。資料來源於IERS網站（國際地球自轉服務）
在地球早期，大氣和海洋中自由氧氣的出現進一步促使了需氧生物的進化。微生物產氧光合作用被認為是地球古元古代大氧化事件(Great Oxidation Event, GOE)、元古宙中期持續低氧及新元古代大氧化事件(Neoproterozoic Oxygenation Event, NOE)時期氧氣的一個實質來源。這使地球大氣氧化程度在時間上呈現顯著的階段性。
地球表層分階段氧化的成因機制，仍有較大爭議。那麼地球自轉速率變化與地球大氣氧化過程是否以及如何聯絡呢？研究認為，地質時期地球快速自轉狀態下，一天時長不足24小時，晝長則不會超過12小時，甚至可能短至6小時 (Bartlett and Stevenson, 2016)。白天時長會影響光照時間，進而影響生物光合作用。基於此種假設，來自德國馬克斯普朗克研究所的Klatt及其合作者在Nature Geoscience上發表文章，透過微感測器測量和動力學模型模擬藍細菌微生物席中介面溶質通量，揭示白晝時長對前寒武紀底棲生態系統的影響。研究結果發現，即使在穩定的光合作用下，白晝時長增加能夠提高底棲生物的產氧輸出量。他們進一步論證，白晝時長促進有機碳埋藏量的增加，進而可能影響了古元古代和新元古代兩次大氧化事件（GOE和NOE）的發生。該研究成果揭示了行星自轉動力學對地球生物學和地球化學演化的潛在關聯機制和影響，為地球系統科學研究提供了新視角。
Klatt et al. (2021)首先基於光照動力學和物質擴散運移相互作用關係，透過動力學模擬研究了白晝時長對微生物席代謝產物的輸入、輸出和累積的影響(圖2)。模擬結果發現，白晝時長會影響底棲微生物系統的淨光合作用和生物質產量，進而影響長期有機碳埋藏速率和大氣氧氣累積。
圖2 白晝時長分別為12和24小時狀態下總氧氣(O2)產量，氧氣(O2)和硫化氫(H2S)輸出量，Corg 呼吸和埋藏晝夜均值時間演化模擬 (Klatt et al., 2021)。（a）在O2為25 μM (pO2= 0.1) 的水體下純OP系統中總OP (∫z OP, 灰色)的深度積分值；（b）有機碳（Corg）埋藏隨著白天時長而增加；（c）存在硫還原細菌厭氧呼吸情況下，總光合作用和厭氧呼吸生成的硫化物產量與該模擬中光照動力學無關，O2和H2S輸出通量受白晝時長調節；（d）白晝時間越長，微生物席輸出更多的 O2並儲存更多的Corg
該研究團隊進一步證明，相對於棲居者生產的總光合作用量的演化，底棲微生物的棲息地覆蓋面積與白晝時長驅動的效應是最相關的(圖3)。除此之外，作者還對類似於元古宙生活環境的現今藍細菌微生物席進行了實測研究：透過微型感測器觀測了光合作用和O2輸出速率(圖4)，顯示淨O2產量與光照時長，即白晝時長呈正相關性。
圖3 不同代謝和邊界條件下，底棲微生物席晝夜O2輸出通量及Corg埋藏通量與白晝時長的關係 (Klatt et al., 2021)。（a）不同晝夜時長下的O2輸出通量；（b）不同晝夜時長下Corg埋藏通量
圖4 不同晝夜時長模擬值下，微生物席樣品的微感測器觀測情況(Klatt et al., 2021)。（a）微生物席氧氣含量垂直剖面，表面光照強度用I表示；（b-e）圖a中不同時間點，微生物席O2、總H2S、總光合作用和硫化物產量垂向剖面圖；（f）在12和24小時晝長差異下，微生物席-水介面附近向底層水體（含1 μM O2、但無H2S）的O2輸出通量
在此基礎上，作者進一步將微生物席O2輸出通量與白晝時長的模擬和觀測關係進行地質歷史時期大氣增氧模式的推演。基於Bartlett and Stevenson (2016)的假設，由於大氣共振效應，大氣熱潮抵消了海洋和固體潮汐的減速效應，地球自轉速率在元古宙處於一個相對穩定期，可與元古宙中期持續低氧狀態相吻合。隨後，白晝時長的顯著增加，可與新元古代大氧化事件相吻合。地球大氣氧化樣式與自轉速率之間存在著顯著的相關性，因此可定量評估微生物席產氧、白晝時長、與大氣增氧的潛在機制 (圖5)。
圖5 白晝時長和大氣增氧的關係 (Klatt et al., 2021)。（a）基於經驗或者模擬重建的白晝時長的演化特徵，其變化趨勢與24-5.4億年（GOE至NOE）期間大氣增氧階段趨勢相對應；（b）全球大氣pO2準穩定狀態對於白晝時長驅動濱海微生物席和陸地有機碳埋藏通量的變化的響應關係
該研究從白晝時長、微生物產氧效能、地球大氣增氧機制角度，建立了行星自轉動力學與地球生物學和地球化學的交叉研究範例，為地球深時環境演化提供了新的研究思路。但是，地球自轉速率的變化是依據角動量守恆，需綜合考慮地球系統各圈層內部質量再分佈、各圈層相對運動以及外部力矩的作用才能準確釐定。文章雖然綜合估計了某一物理過程產生的地球自轉速率變化，但都不是地球自轉速率變化的最終表現 (Lambeck, 1980)。作者假設的不同時段的地球自轉變化物理模型也存在一定的問題，目前還沒有非常確定的模型來支援地球自轉速率會存在階梯式的變化。此外，地質時間尺度下地球自轉速率的測量也存在較大的不確定性。因此，地球大氣增氧事件與自轉速率變化的可靠關聯機制，仍需要進一步深入探討。
（致謝：感謝新生代室周錫強副研究員的寶貴修改建議。）
主要參考文獻
Bartlett B C, Stevenson D J. Analysis of a Precambrian resonance-stabilized day length [J]. Geophysical Research Letters, 2016, 43:5716-5724.
Klatt J M, Chennu A, Arbic B K, et al. Possible link between Earth’s rotation rate and oxygenation [J]. Nature Geoscience, 2021, 14:564-570.（原文連結）
Lambeck K. Changes in length-of-day and atmospheric circulation [J]. Nature, 1980, 286:104-105.
Lyons T W, Reinhard C T, Planavsky, N J. The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere [J]. Nature, 2014, 506: 307-315.
Meyers, S R, Malinverno, A. Proterozoic Milankovitch cycles and the history of the solar system [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018, 115(25): 6363-6368.
美編：傅士旭
校對：姜雪蛟
