什么是潮汐，车道及现象详解？-营销圈

月球对海洋的引力减缓了地球的自转速度，而白昼长度的增加可能有助于光合微生物丰富大气中的氧，为世界带来新的生命。

什么是潮汐，车道及现象详解？

一名潜水员正在探索休伦湖的中岛落水洞（Middle Island Sinkhole），落水洞里的微生物垫被认为与大约20亿年前生活在地球海洋中的微生物类似。利用这些微生物垫中的蓝细菌进行的实验表明，地球白昼长度的变化会使光合微生物丰富大气中的氧气。
摄影： NOAA, THUNDER BAY NATIONAL MARINE SANCTUARY

在地球早期，一天的长短会不会对我们所知的生命崛起有影响呢？Judith Klatt的同事向她抛出这样一个问题时，起初她是持怀疑态度的。 Klatt多年来一直从事蓝细菌的研究。

在地球历史的发展中，昼长已经有了明显的增加。30多亿年前，一昼夜可能只有6个小时。地质记录表明，大约在24亿到22亿年前，大气中的氧气激增，而二氧化碳的体积却在减少。氧气的快速增加被认为与海洋蓝细菌的增殖有关，其中一些蓝细菌能从阳光中吸收能量并产生氧气。

几十年来，昼长的变化以及大气中含氧量的增加一直是科学家们重点研究的领域，但从未有人想到把它们放在一起考虑，直到最近。

德国马克斯·普朗克海洋微生物研究所的微生物学家Judith Klatt与她在密歇根大学的合作伙伴开始调查白昼变长是否对古老蓝细菌的繁荣提供了助力，这为早期动物的大爆发，甚至是今天存在的生命形式创造了条件。

为了研究这种模式，研究小组转向了休伦湖底部的中岛落水洞，这是一个富含蓝细菌的独特生态系统。他们将落水洞中的氧气浓度测量值应用到了实验室中的地球自转计算机模型。

什么是潮汐，车道及现象详解？

一名潜水员正在接近中岛落水洞底部的紫色蓝细菌。落水洞有23米深，里面的冷水中含有高浓度的硫，氧气含量很少，这些条件被认为与数十亿年前的古代海洋环境相似。
摄影：NOAA, THUNDER BAY NATIONAL MARINE SANCTUARY

“落水洞给了我们无穷的灵感，看着那里的世界，就像看到了地球过去可能的样子，”Klatt谈到落水洞时说道。“这太令人难以置信了。”

这些结果还不能将谜团完全解开。但这些数据确实为白昼长度如何影响生物在地球甚至地球之外的进化提供了一些可能性。该研究已于近日发表在《自然地球科学》杂志。

“他们的研究表明，生物学关心的是昼夜周期到底是24小时还是12小时的问题，”普林斯顿大学行星科学家Christopher Spalding说道，他没有参与这项研究。“所以我认为这一初步发现值得更多关注。”

被月球牵引

现在，我们的一天大约有24小时，这是地球自转速度在45亿年里逐渐减慢的结果，而这种变化很大程度上与潮汐有关。

如果你在海边呆一天，可能会观察到潮水沿着海岸起落。这种看似温和的运动是由地球、海洋和月球之间巨大的能量交换造成的。当月球绕地球运行时，月球对海洋产生了引力。海洋会以潮汐的形式对这种牵引做出反应，这就导致了海水和海底岩石之间的摩擦。

这种摩擦会消耗地球的自转能量，减慢自转速度，使白昼时间变长。但由于这一进程十分缓慢，所以我们并不能轻易观察到昼夜长短的变化，也很难在深层地质记录中追踪到。

“目前，确切的地球自转速度最早能追溯到约5.5亿年前……我们可以利用带生长带的贝壳判断一天有多长，”Spalding说道。“但那之前的速度就无从而知了，因为我们没有可供参考的珊瑚或贝壳。”

“回溯地球历史的过程中，我们找到了模型，”加州理工学院的行星科学家Woodward Fischer说道，他没有参与这项研究。“我们知道一天的长度有一个系统的变化历史，我们知道(变化)的方向，但其中有很多细节还未弄清。”

地球自转速度的模型有很多，一个自20世纪80年代末开始一直在使用的模型指出，一日的长度在逐渐增加，直到大约25亿年前，一天的长度稳定在21小时左右，并在数百万年中保持相对不变。

大约在那个时候，潮汐、地球和月球可能已经达到了建模者所说的共振。实际上有两种旋转力影响着地球的自转。潮汐对地球产生阻力，使其转速减慢。而太阳在白天会使地球的一侧受热更多，导致海洋和大气膨胀，这使得地球在自转轨道上向前移动了一点点。

在这场拉锯战中，潮汐一直占据上风，直到系统发生共振，这两种相反的力量相互抵消。一旦达到了那个“神奇的”频率，自转速度在相当长的一段时间内都不太可能发生变化。

Klatt及其团队在研究中也用到了这一模型。有趣的是，他们发现共振造成的一日21小时存续时间段与地质记录反映的大气中氧气爆发的时间段相重合。“我非常希望看到氧气模式和自转速度之间的关联，”Klatt说道。“这太让我兴奋了。”

晒太阳的蓝细菌

今天，蓝细菌在地球的水域中仍然十分繁盛，而生活在中岛落水洞“微生物垫”中的蓝细菌为研究小组解决谜团提供了新线索。

落水洞深达23米，水中含有高浓度的硫，氧气含量很少。科学家们认为，这些条件可能与数十亿年前的古代海洋相似。通过研究这种环境，Klatt的团队可以大致了解类似的古代生态系统是如何运作的。

Klatt发现这些微生物处于氧气生产和损失的不稳定平衡状态。

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结合落水洞微生物垫(如图所示)和地球自转模型的数据，科学家们发现，地球一天稳定在21小时左右的那段时期，氧气水平出现了飙升。阳光充足的稳定日子让蓝细菌开始大踏步前进，优化它们的生物过程，以产生过量的氧气。
摄影：NOAA, THUNDER BAY NATIONAL MARINE SANCTUARY

“微生物垫的状态非常接近零和博弈。它们在制造大量氧气的同时也会消耗大量氧气，最后只有一点点氧气释放出来。这一点就是论文所确认的，”Fischer说道。那么，蓝细菌产生的氧气需要怎样才能离开微生物垫并丰富大气呢?

一种被称为扩散的物理机制给了我们答案。在这个机制中，高浓度的氧气总是倾向于向低浓度区域移动。这就像你打开一瓶苏打水，二氧化碳气泡就会冲出来一样。

白昼短暂时，蓝细菌会在工作和休息模式中不断切换，白昼较长时，它们进行光合作用的时间也更长，这样就能够在周围积累氧气浓度，直到一些氧气从微生物垫释出并升到大气层。事实上，Klatt的实验室实验表明，当湖底微生物的样本暴露在日光下的时间较长时，它们就会向大气中贡献更多的氧气。

Klatt使用的自转速度模型预测，在35亿年前到22.5亿年前，白昼时长在逐渐增加。一旦地球、月球和潮汐达到共振状态，一天就会保持在21小时，直到大约5.5亿年前，地球的自转再次开始放缓。适应这种长而稳定的白昼是蓝细菌大步前进的关键，在稳定的白昼长度下，它们的生物过程得到了优化。

地外星球的白昼长度

这一结果为未来研究早期地球及地球以外的各种情况提供了新路径。

“白昼长度效应可能是解决地球氧含量变化之谜的关键。”马克斯·普朗克研究所的计算生物学模型师Arjun Chennu说道，他与Klatt共同完成了这一研究。

“这对研究其他全球地球化学过程如何受白昼长度变化的影响也是大有裨益的，”例如，白昼长度和氧气水平的变化可能影响了全球碳循环和早期大陆的风化。

在佐治亚理工学院地质学家Devon Cole看来，这项研究对其他星球上的生命进化也有着潜在的意义。天体生物学家以前曾考虑将系外行星的自转速度作为寻找生命的一个因素，但通过Klatt的工作，他们现在对白昼长度如何影响外星生物圈和大气有了更清晰的认识。

在科学家发现的数千颗围绕其他恒星运行的行星中，有一些处于潮汐锁定状态，一侧是持续的白天，另一侧是永恒的黑夜。“可能会有一个生物圈存在吗？一个能够重新设计大气的生物圈，我们可以在这样的行星上真正探测到，”Cole问道。“唯一真正适合居住的地方可能是边缘的永久’日落’圈。”

她补充说，当考虑到关于氧气和生命的崛起这些问题时，“人们不一定会立马联想到白昼长度，所以我认为这样的研究很酷。”

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什么是潮汐，车道及现象详解？

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