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研究人員從各層取水樣，帶回實驗室進行分析。湖泊信用:uux.cn/伊麗莎白·斯萬納，揭示抄送
（神秘的億年地球uux.cn）據對話（伊麗莎白·斯萬納）：明尼蘇達州伊塔斯卡州立公園的游客并不太注意小明湖。在附近的前氧氣何伊塔斯卡湖，密西西比河的大氣源頭，有更好的中積劃船方式。我和我的累起同事們需要操縱數百磅的設備，沿著一條被夏末毒藤弄得很窄的個分隱蔽路徑下水劃船。
但是湖泊，對我這個對24億年前大氣中氧氣是揭示如何形成的感興趣的地球化學家來說，不大的億年戴明湖提供的東西比看上去的要多。戴明湖深層缺氧是前氧氣何這個小水體與早期地球海洋的共同之處。
在我們每年的大氣幾次探險中，我們都劃船到湖的中積最深處——超過60英尺(18米)，盡管湖面只有13英畝。我們拋下錨，把我們的船連接成一個小艦隊，為未來的工作做好準備。
戴明湖是部分混合的，這個詞來自希臘語，意思是僅僅部分混合。在大多數湖泊中，每年至少有一次，由于風和季節性溫度變化影響水的密度，頂部的水下沉，而底部的水上升。但是戴明湖最深的水從來沒有到達水面。這阻止了表層水中的氧氣混入深層。
不到1%的湖泊是部分溶解型的，大多數都有稠密的含鹽底層水。戴明湖的深水不是很咸，但是在湖底的鹽中，鐵是最豐富的。這使得戴明湖成為最罕見的部分融合型湖泊之一。
湖面風平浪靜，在這個涼爽無云的八月早晨，靜止的空氣是如此美妙。我們放下一個2英尺長的水泵，它拴在一根連著四個傳感器的電纜上。傳感器測量我們遇到的每一層水中的溫度、含氧量、pH值和葉綠素含量。我們把水從最有趣的層抽到船上，裝滿無數的瓶子和管子，每一個都被指定用于不同的化學或生物分析。
我和我的同事已經回到戴明湖，探索微生物如何適應并改變早期地球環境的問題。在我們星球的大部分歷史中，只有微生物居住。大氣和海洋深處沒有多少氧氣，但它們有很多鐵，就像戴明湖一樣。通過調查戴明湖的微生物在做什么，我們可以更好地了解數十億年前它們如何幫助地球的大氣和海洋轉變成現在的樣子。
一層一層，進入湖中
25億年前，海水中含有足夠的鐵，形成了今天全球分布的生銹鐵礦床，稱為帶狀鐵礦層，為現代全球鋼鐵工業提供鐵。如今，海洋中只有微量的鐵，卻有豐富的氧氣。在大多數水中，鐵和氧是對立的。鐵和氧之間快速的化學和生物反應意味著當另一個存在時，你不能有太多的一個。
早期大氣和海洋中氧氣的上升是由于藍藻。這些單細胞生物至少出現在25億年前。但是大約花了20億年，它們通過光合作用產生的氧氣才達到允許第一批動物出現在地球上的水平。
一個分層的湖泊揭示了幾十億年前氧氣是如何在我們的大氣中積累起來的

戴明湖上的研究人員的船。信用:uux.cn/伊麗莎白·斯萬納，抄送
在戴明湖，我和我的同事特別注意葉綠素讀數跳躍的水層。葉綠素是使植物變綠的色素。它利用陽光能量將水和二氧化碳轉化為氧氣和糖。戴明地表下近20英尺(6米)處，葉綠素存在于藍細菌和光合藻類中，而不是植物中。
但是關于這一層奇怪的事情是，我們沒有檢測到氧氣，盡管這些產氧生物非常豐富。這是鐵濃度開始攀升到湖底高水平的深度。
我們對這個高葉綠素、高鐵和低氧層特別感興趣，因為它可能有助于我們了解藍藻在古代海洋中的生活狀況，它們的生長狀況以及它們產生的氧氣量。
我們懷疑藍藻在戴明湖這個深度聚集的原因是那里比湖的頂部有更多的鐵。就像人類的紅細胞需要鐵一樣，藍藻也需要大量的鐵來幫助催化光合作用的反應。
我們無法在這一層中測量任何氧氣的一個可能原因是，除了藍細菌，這里還有很多其他細菌。在幾天的漫長生命后，藍細菌死亡，其他細菌以它們的殘骸為食。這些細菌會像火燒穿木頭一樣，迅速耗盡仍在進行光合作用的藍細菌產生的氧氣。
根據水的混濁程度，我們知道這里有很多細菌，當我們在顯微鏡下觀察一滴水時，我們就能看到它們。但是除了測量氧氣水平，我們需要另一種方法來測量光合作用。
長期運行的湖邊實驗室
光合作用的另一個重要功能是將二氧化碳轉化為糖，最終用于制造更多的細胞。我們需要一種方法來跟蹤新糖是否正在生成，如果是，是否是由光合藍細菌生成的。因此，我們在玻璃瓶中裝滿來自這個湖層的水樣，并用橡皮塞密封。
我們驅車3英里回到伊塔斯卡生物站和實驗室，在那里我們將建立我們的實驗。該站于1909年開放，是我們本周的大本營，提供舒適的小屋、溫暖的飯菜和這個實驗室空間。
在實驗室里，我們向玻璃瓶中注入攜帶同位素示蹤劑的二氧化碳。如果藍細菌生長，它們的細胞將結合這種同位素標記。
一個分層的湖泊揭示了幾十億年前氧氣是如何在我們的大氣中積累起來的

研究人員將傳感器傳來的數據記錄在防水的野外筆記本上。信用:uux.cn/伊麗莎白·斯萬納
我們在設計問題和實驗時得到了一些幫助。明尼蘇達大學參加夏季野外課程的學生在伊塔斯卡州立公園收集了幾十年的數據。一位勤奮的大學圖書館員對數千份學生的期末論文進行了數字化處理。
我和我的學生仔細閱讀了有關戴明湖的論文，其中許多論文試圖確定富含葉綠素層中的藍細菌是否在進行光合作用。雖然大多數人回答是，但這些學生只測量了氧氣，并得到了模棱兩可的結果。我們使用的同位素示蹤劑實施起來更棘手，但會給出更清晰的結果。
那天下午，我們回到了湖上。我們拋下錨；繩子上系著一個透明的塑料袋，里面裝著密封的瓶裝湖水，現在已經用同位素示蹤劑進行了修正。它們會在富含葉綠素的層過夜，我們會在24小時后取回它們。超過這個時間，同位素標記可能會出現在吃垂死藍藻的細菌中，而不是藍藻本身。我們把繩子系在一個漂浮的浮標上，然后返回空間站的餐廳吃晚餐。
鐵、葉綠素、氧氣
第二天早上，當我們等待瓶子完成孵化時，我們從湖的不同層收集水，并加入一些化學物質，殺死細胞，但保留它們的身體。我們將在顯微鏡下觀察這些樣本，以確定水中有多少藍藻，我們將測量藍藻中有多少鐵。
這說起來容易做起來難，因為我們必須首先將所有的“針”(藍細菌)從“干草”(其他細胞)中分離出來，然后清除藍細菌外部的任何鐵?；氐綈酆扇A州立大學，我們將把單個細胞一個接一個地射進火焰中，將它們燒成灰燼，釋放出它們所含的所有鐵，這樣我們就可以對其進行測量。
我們的科學直覺或假設是，生活在富含葉綠素和鐵的層中的藍細菌比生活在湖泊頂層的藍細菌含有更多的鐵。如果是這樣的話，這將有助于我們確定更多的鐵是生活在更深更暗的一層的動機。
這些實驗不會告訴我們為什么地球花了這么長時間來積累氧氣的全部故事，但它們將幫助我們了解其中的一部分——氧氣可能在哪里產生，為什么會產生，以及氧氣在那種環境下發生了什么。
對于那些對其平靜的表面下發生的事情好奇的人來說，戴明湖正迅速成為其自身的吸引力——這可能會告訴我們新的生命形式是如何在很久以前在地球上扎根的。

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一個分層的湖泊揭示了幾十億年前氧氣是如何在我們的大氣中積累起來的

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