当朱迪思·克拉特开始研究在休伦湖底部的落水洞中生长的彩色原始微生物垫时，她认为自己可能会了解一些关于地球早期生态系统的信息。然而，在德国不莱梅马克斯·普朗克海洋微生物研究所的生物地球化学家克拉特最终面临着地质学上最伟大的未解之谜之一：地球究竟是如何成为已知唯一拥有富氧大气层的行星的？
地质线索表明，微生物可能早在三十亿年前甚至更早的时候就开始通过光合作用释放氧气。但由于某种原因，氧气花了大约五亿年才在大气中积累起来，又花了十亿年才达到现代水平，为复杂生命的出现奠定了基础。这些延迟长期以来一直困扰着科学家。一些人提出，化学反应消耗了大部分气体，或者缺乏必需营养物质限制了氧气的产生。
现在，受到落水洞工作的启发，克拉特和她的同事们找到了另一种可能的解释，他们在《自然·地球科学》杂志上描述道：早期地球的昼夜太短了。
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太阳系形成后不久，一个火星大小的物体撞击了地球，并扬起了一片碎片，形成了月球。来自我们天然卫星的拖曳力此后逐渐减慢了地球的自转速度，使昼夜长度从地球早期的约六小时增加到今天的 24 小时。几十年来，科学家们已经了解了这种减速，并正在继续完善细节。但很少有人将其与氧气水平联系起来——直到密歇根大学海洋学家布莱恩·阿比克听取了关于克拉特在休伦湖落水洞工作的演讲。阿比克是这篇新论文的合著者，他想知道昼夜长度的变化是否可能影响地质时期的光合作用。
休伦湖落水洞中，细菌垫中冒出气泡，蓝藻和食硫微生物在这里争夺空间。图片来源：Phil Hartmeyer 和 NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary
由于落水洞由贫氧、富硫的地下水补给，因此它近似于早期地球的条件，容纳着微小的细菌群落，这些细菌将湖底覆盖在紫色和白色的垫子中。克拉特和她的同事研究了进行光合作用、产生氧气的蓝藻如何在夜间隐藏在食硫竞争者之下，以及两者如何在黎明和黄昏时 буквально 交换位置。研究人员发现，它们交换位置所需的时间在太阳升起和光合作用加速之间造成了滞后，限制了垫子在短时间内可以产生的氧气量。事实上，克拉特在实验室中表明，在人工 12 小时的“昼夜”中，垫子根本不产生氧气，并且氧气产量随着昼夜长度超过 16 小时而增加。
克拉特最初怀疑落水洞的结果是否可以帮助解释氧气之谜。“这是一种非常特殊的群落，可能不存在于古代地球上，”她说。如果没有这种竞争，昼夜长度的变化应该无关紧要，因为微生物将获得相同的太阳光总量——只是以不同的增量传递。但最终（在思考了她称之为“令人尴尬的漫长”时间后），克拉特意识到，即使氧气产量保持不变，更长的昼夜也会让更多的气体渗入水中——并最终进入大气层，这其中存在更基本的联系，适用于任何类型的细菌垫，包括早期地球上的细菌垫。
那是因为离开垫子的氧气量受到气体分子从中扩散出来的速度以及垫子中其他种类的细菌消耗多少的限制。较长的昼夜在阳光下有一个延长的峰值，让更多的氧气在垫子中积累，从而增加扩散。至关重要的是，较长的昼夜也让气体有更多的时间在夜幕降临前逸出，届时吞噬氧气的微生物会消耗掉剩余的氧气。研究的模型结果表明，这些机制可能对地球历史上的大气氧气水平产生强烈影响。
加州大学河滨分校的生物地球化学家蒂莫西·莱昂斯说，这是一个“简单而优雅的想法”，他没有参与这项研究。莱昂斯说，仍然存在重要的未知数，例如早期进行光合作用的细菌主要生活在海底还是自由漂浮在水中，在那里它们可以更轻松地释放氧气，而无需过多依赖扩散。他怀疑许多过程共同促成了大气中充满氧气——而昼夜长度肯定可能有所贡献。
其他可能的机制包括氧气消耗性火山气体（如氢气和甲烷）排放量的变化，以及光合作用必需营养物质磷的供应有限。英格兰利兹大学的地球演化建模师本杰明·米尔斯没有参与这项研究，他说他很惊讶科学家们大多忽略了昼夜长度的作用。他说，现在的挑战是评估“这一过程相对于我们所知的全球氧气循环的其他事物的相对重要性”。
米尔斯和普渡大学天体生物学家斯蒂芬妮·奥尔森（她也没有参与这项研究）都对新结果与大气氧化历史的吻合程度印象深刻，包括著名的两步上升和中间的“无聊的十亿年”——当时氧气水平趋于平稳，昼夜长度也停滞在 21 小时。“氧气积累的模式和地球自转速度减慢的节奏似乎步调一致，这很有趣，”奥尔森说。
奥尔森是少数提出昼夜长度与氧气水平之间存在联系的其他人之一。在她2020 年的论文中，该论文主要关注系外行星，她描述了地球自转随时间变化如何影响海洋环流，从而影响磷等为光合作用提供燃料的营养物质的运输。奥尔森和她的学生现在正在用计算机模型探索这个想法。奥尔森说，这种机制和克拉特的机制可以协同工作：“我认为它们是高度互补的，而不是相互竞争的想法。”
不莱梅莱布尼茨热带海洋研究中心的生态学家阿琼·切努与克拉特共同领导了这项研究，他对地球自转与大气氧气之间的联系仍然感到惊讶。他说，从行星的运动到分子的运动，“这些相互作用产生影响的尺度范围……太疯狂了。”