多謝月亮讓我們有氧氣呼吸?

假設在一部科幻電影中，時空旅行者回溯過去，看到了尼安德塔人，穿越了侏儸紀時代，一路回到30億年前的史前地球去遊覽，他們仍自在的呼吸，見到隔天的太陽，那這部電影很可能沒有考證清楚。因為那時的地球根本沒足夠的氧氣。他們最好帶足夠的維生設備，否則可能沒幾分鐘就缺氧而死。

30億年前，當時的氧氣還很稀缺，並且地球的一天大約只有16到17小時。為什麼當時的氧氣會比較少，現在有一派學者認為，日照的長短和氧氣的多寡有關係。也就是說，他們認為一天的長度比較短所以大氣中的氧氣比較少。

為何氧氣會突然在25億年前暴增，又穩定長達10億年?

這段穩定的「無聊十億年」(Boring Billions)發生在距今8億到18億年前，這段期間被認為在生物演化、氣候、海洋和大氣中的化學反應相對安定的一個時期。科學家一直不懂為何大氣中氧氣的含量有如階梯式的變化，一下突然暴增，沉寂好一些時間後，又突然增加。為何不是穩定的上升？ 在氧氣含量突然暴增前，地球上早已存在能行光合作用的微生物，吸收陽光的能量並產生氧氣，而且這種微生物一直存在。

月亮的引力幫助地球的氧氣產生?

如果「產氧光合作用」(Oxygenic Photosynthesis)真的是氧氣含量增加的關鍵因素，很難去解釋為什麼停止了十億年又突然重新開始。

在地球誕生的最早期，自轉一周只需要大約6小時。但因為海洋的出現，月球對它產生拉力，大片海域在地殼上晃蕩、產生巨大摩擦力，重心的變化使得地球自轉時間越來越長，延長到我們現在習慣的24小時。事實上現在每天都還在變長，每天大概會增加0.0000135秒。

但在8億到18年前的這段時間，因為太陽引力所造成地球自轉加速的力矩和月球引力造成減速的力矩接近平衡，所以每天一直維持大約21小時的長度。因為一天長度固定，才有「無聊十億年」。

在德國馬克思-普蘭克研究院的海洋微生物學專家茱蒂絲(Judith Klatt)想去了解到底更長的日照對微生物會有何種影響，因此，她找了熟悉「微生物墊」(Microbial mat)的陳努(Arjun Chennu)一起研究。陳努在德國萊布尼茲熱帶海洋研究中心當生態學家和資料科學家。微生物墊是一種主要由藍細菌(Cyanobacteria)和食硫細菌等組成數釐米厚的多層墊狀群落。

茱蒂絲(Judith Klatt)，馬克思-普蘭克研究院的海洋微生物學專家

陳努(Arjun Chennu)，德國萊布尼茲熱帶海洋研究中心生態學家

如果地球自轉太快，日照時間太短，藍細菌等微生物還沒辦法達到它們產生氧氣的最大效率；如果自轉慢下來，它們才能最大發揮製氧的潛能。這篇論文發表在 “NATURE GEOSCIENCE”

研究地點在美國五大湖中的休倫湖

休倫湖(Lake Huron)的微生物墊，用來驗證日照長度和氧氣產生量的相關性

科學家還拿了休倫湖的微生物墊來驗證日照長度和氧氣產生量的相關性，休倫湖是美國五大湖中的第二大湖。他們用人工光源模擬一天的長度為12、16、21和24小時，結果發現一天時間如果越長，微生物會產生越多氧氣。

這個結果令人振奮! 因為這是第一次把微生物的活動和全地球的狀態連結在一起，從分子到行星，橫跨了物理學上的極大尺度。科學家也期待能夠找到更多非常古老的岩石來佐證，因為上面會有關於地球歷史的記載，未來重新登月時也能取得月球岩石來了解月球如何透過潮汐力使地球自轉慢下來。

參考資料:

1. Enjoy breathing oxygen? Thank the moon.
   https://www.popsci.com/science/moon-helped-microbes-make-oxygen-earth/
2. Fact or Fiction: The Days (and Nights) Are Getting Longer
   https://www.scientificamerican.com/article/earth-rotation-summer-solstice/
3. An average Earth day used to be less than 19 hours long
   https://www.sciencemag.org/news/2018/06/average-earth-day-used-be-less-19-hours-long
4. Possible link between Earth’s rotation rate and oxygenation
   https://www.nature.com/articles/s41561-021-00784-3
5. Boring Billions
   https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%97%A0%E8%81%8A%E5%8D%81%E4%BA%BF%E5%B9%B4
6. A constant daylength during the precambrian era?
   https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0301926887900738?via%3Dihub
7. Sinkholes to Stars: Exploring Microbial Ecosystems in Lake Huron’s Sinkholes as Analogs of Life on Early Earth, and as a Model for Life in Extraterrestrial Waters
   https://nmssanctuaries.blob.core.windows.net/sanctuaries-prod/media/docs/20191206-thunder-bay-sinkholes.pdf