一个分层的湖泊揭示了几十亿年前氧气是如何在我们的大气中积累起来的

December2017

研究人员从各层取水样，带回实验室进行分析。信用:伊丽莎白·斯万纳，抄送

（）据对话（伊丽莎白·斯万纳）：明尼苏达州伊塔斯卡州立公园的游客并不太注意小明湖。在附近的伊塔斯卡湖，密西西比河的源头，有更好的划船方式。我和我的同事们需要操纵数百磅的设备，沿着一条被夏末毒藤弄得很窄的隐蔽路径下水划船。

但是，对我这个对24亿年前大气中氧气是如何形成的感兴趣的地球化学家来说，不大的戴明湖提供的东西比看上去的要多。戴明湖深层缺氧是这个小水体与早期地球海洋的共同之处。

在我们每年的几次探险中，我们都划船到湖的最深处——超过60英尺(18米)，尽管湖面只有13英亩。我们抛下锚，把我们的船连接成一个小舰队，为未来的工作做好准备。

戴明湖是部分混合的，这个词来自希腊语，意思是仅仅部分混合。在大多数湖泊中，每年至少有一次，由于风和季节性温度变化影响水的密度，顶部的水下沉，而底部的水上升。但是戴明湖最深的水从来没有到达水面。这阻止了表层水中的氧气混入深层。

不到1%的湖泊是部分溶解型的，大多数都有稠密的含盐底层水。戴明湖的深水不是很咸，但是在湖底的盐中，铁是最丰富的。这使得戴明湖成为最罕见的部分融合型湖泊之一。

湖面风平浪静，在这个凉爽无云的八月早晨，静止的空气是如此美妙。我们放下一个2英尺长的水泵，它拴在一根连着四个传感器的电缆上。传感器测量我们遇到的每一层水中的温度、含氧量、pH值和叶绿素含量。我们把水从最有趣的层抽到船上，装满无数的瓶子和管子，每一个都被指定用于不同的化学或生物分析。

我和我的同事已经回到戴明湖，探索微生物如何适应并改变早期地球环境的问题。在我们星球的大部分历史中，只有微生物居住。大气和海洋深处没有多少氧气，但它们有很多铁，就像戴明湖一样。通过调查戴明湖的微生物在做什么，我们可以更好地了解数十亿年前它们如何帮助地球的大气和海洋转变成现在的样子。

一层一层，进入湖中

25亿年前，海水中含有足够的铁，形成了今天全球分布的生锈铁矿床，称为带状铁矿层，为现代全球钢铁工业提供铁。如今，海洋中只有微量的铁，却有丰富的氧气。在大多数水中，铁和氧是对立的。铁和氧之间快速的化学和生物反应意味着当另一个存在时，你不能有太多的一个。

早期大气和海洋中氧气的上升是由于蓝藻。这些单细胞生物至少出现在25亿年前。但是大约花了20亿年，它们通过光合作用产生的氧气才达到允许第一批动物出现在地球上的水平。



戴明湖上的研究人员的船。信用:伊丽莎白·斯万纳，抄送

在戴明湖，我和我的同事特别注意叶绿素读数跳跃的水层。叶绿素是使植物变绿的色素。它利用阳光能量将水和二氧化碳转化为氧气和糖。戴明地表下近20英尺(6米)处，叶绿素存在于蓝细菌和光合藻类中，而不是植物中。

但是关于这一层奇怪的事情是，我们没有检测到氧气，尽管这些产氧生物非常丰富。这是铁浓度开始攀升到湖底高水平的深度。

我们对这个高叶绿素、高铁和低氧层特别感兴趣，因为它可能有助于我们了解蓝藻在古代海洋中的生活状况，它们的生长状况以及它们产生的氧气量。

我们怀疑蓝藻在戴明湖这个深度聚集的原因是那里比湖的顶部有更多的铁。就像人类的红细胞需要铁一样，蓝藻也需要大量的铁来帮助催化光合作用的反应。

我们无法在这一层中测量任何氧气的一个可能原因是，除了蓝细菌，这里还有很多其他细菌。在几天的漫长生命后，蓝细菌死亡，其他细菌以它们的残骸为食。这些细菌会像火烧穿木头一样，迅速耗尽仍在进行光合作用的蓝细菌产生的氧气。

根据水的混浊程度，我们知道这里有很多细菌，当我们在显微镜下观察一滴水时，我们就能看到它们。但是除了测量氧气水平，我们需要另一种方法来测量光合作用。

长期运行的湖边实验室

光合作用的另一个重要功能是将二氧化碳转化为糖，最终用于制造更多的细胞。我们需要一种方法来跟踪新糖是否正在生成，如果是，是否是由光合蓝细菌生成的。因此，我们在玻璃瓶中装满来自这个湖层的水样，并用橡皮塞密封。

我们驱车3英里回到伊塔斯卡生物站和实验室，在那里我们将建立我们的实验。该站于1909年开放，是我们本周的大本营，提供舒适的小屋、温暖的饭菜和这个实验室空间。

在实验室里，我们向玻璃瓶中注入携带同位素示踪剂的二氧化碳。如果蓝细菌生长，它们的细胞将结合这种同位素标记。



研究人员将传感器传来的数据记录在防水的野外笔记本上。信用:伊丽莎白·斯万纳

我们在设计问题和实验时得到了一些帮助。明尼苏达大学参加夏季野外课程的学生在伊塔斯卡州立公园收集了几十年的数据。一位勤奋的大学图书馆员对数千份学生的期末论文进行了数字化处理。

我和我的学生仔细阅读了有关戴明湖的论文，其中许多论文试图确定富含叶绿素层中的蓝细菌是否在进行光合作用。虽然大多数人回答是，但这些学生只测量了氧气，并得到了模棱两可的结果。我们使用的同位素示踪剂实施起来更棘手，但会给出更清晰的结果。

那天下午，我们回到了湖上。我们抛下锚；绳子上系着一个透明的塑料袋，里面装着密封的瓶装湖水，现在已经用同位素示踪剂进行了修正。它们会在富含叶绿素的层过夜，我们会在24小时后取回它们。超过这个时间，同位素标记可能会出现在吃垂死蓝藻的细菌中，而不是蓝藻本身。我们把绳子系在一个漂浮的浮标上，然后返回空间站的餐厅吃晚餐。

铁、叶绿素、氧气

第二天早上，当我们等待瓶子完成孵化时，我们从湖的不同层收集水，并加入一些化学物质，杀死细胞，但保留它们的身体。我们将在显微镜下观察这些样本，以确定水中有多少蓝藻，我们将测量蓝藻中有多少铁。

这说起来容易做起来难，因为我们必须首先将所有的“针”(蓝细菌)从“干草”(其他细胞)中分离出来，然后清除蓝细菌外部的任何铁。回到爱荷华州立大学，我们将把单个细胞一个接一个地射进火焰中，将它们烧成灰烬，释放出它们所含的所有铁，这样我们就可以对其进行测量。

我们的科学直觉或假设是，生活在富含叶绿素和铁的层中的蓝细菌比生活在湖泊顶层的蓝细菌含有更多的铁。如果是这样的话，这将有助于我们确定更多的铁是生活在更深更暗的一层的动机。

这些实验不会告诉我们为什么地球花了这么长时间来积累氧气的全部故事，但它们将帮助我们了解其中的一部分——氧气可能在哪里产生，为什么会产生，以及氧气在那种环境下发生了什么。

对于那些对其平静的表面下发生的事情好奇的人来说，戴明湖正迅速成为其自身的吸引力——这可能会告诉我们新的生命形式是如何在很久以前在地球上扎根的。