Каждый наш вдох возможен, потому что миллиарды лет назад плотные маты цианобактерий — первая жизнь на Земле — начали вырабатывать кислород как побочный продукт фотосинтеза. Но ученые до сих пор не знали наверняка, что вызвало два трансформирующих события насыщения кислородом, которые превратили Землю из планеты с низким содержанием кислорода в богатый кислородом мир, где сложные организмы могли развиваться и диверсифицироваться.
Теперь исследователи определили важный фактор, который мог бы стимулировать высвобождение кислорода, генерируемого микробами: замедление вращения Земли, начавшееся около 2,4 миллиарда лет назад. Земля вращалась быстрее, когда была новорожденной планетой, завершая оборот всего за несколько часов, но постепенно замедлялась на протяжении сотен миллионов лет. Как только продолжительность дня достигла определенного порога — возможно, во время этих ключевых периодов насыщения кислородом — более длинные отрезки солнечного света, возможно, позволили большему количеству молекул кислорода прыгать из областей с высокой концентрацией (внутри бактериальных матов) в области с более низкой концентрацией (атмосфера), согласно новому исследованию.
Ученые недавно нашли ключи к этой связи в воронке на дне озера Гурон. Озеро Гурон, граничащее с Мичиганом в Соединенных Штатах и Онтарио в Канаде, является одним из самых больших пресноводных озер в мире. Средняя островная воронка озера имеет 91 метр в диаметре и лежит примерно на глубине 24 метров под поверхностью. Там богатая серой вода питает красочные микробы, которые процветают в среде с низким содержанием кислорода, подобно самым ранним формам бактерий на Земле.
В холодных глубинах провала живут два типа микробов: ищущие солнечного света пурпурные цианобактерии, которые вырабатывают кислород путем фотосинтеза, и белые бактерии, которые потребляют серу и вместо этого выделяют сульфат. Микробы борются за свое место в течение всего дня, а питающиеся серой бактерии покрывают своих пурпурных соседей в утренние и вечерние часы, блокируя доступ пурпурных микробов к солнцу. Однако, когда дневной свет наиболее силен, белые микробы избегают света и мигрируют глубже в воронку, оставляя фиолетовые цианобактерии открытыми и тем самым способными к фотосинтезу и выделению кислорода.
Возможно, подобные соревнования между сообществами микробов существовали миллиарды лет назад, когда воздействие солнечного света на продуцирующие кислород бактерии было затруднено их микробными соседями, говорится в исследовании. Затем, по мере того как дни на Земле становились длиннее, производители кислорода получали больше времени на солнце-и выпускали больше кислорода в атмосферу.
«Мы поняли, что существует фундаментальная связь между динамикой света и выделением кислорода, и эта связь основана на физике молекулярной диффузии», когда тепловые изменения заставляют молекулы мигрировать из областей с более высокой концентрацией в более низкие, — говорит ведущий автор исследования Джудит Клатт, научный сотрудник Института морской микробиологии имени Макса Планка в Бремене, Германия.
«Более короткий день позволил бы меньшему количеству кислорода покинуть коврик, даже если такое же количество кислорода вырабатывается в час», — добавляет Клатт.
Сейчас Земля совершает полный оборот вокруг своей оси раз в 24 часа, но более 4 миллиардов лет назад сутки длились всего около шести часов, сообщили исследователи. На протяжении миллиардов лет продолжается танец Земли с Луной замедлило вращение планеты благодаря процессу, известному как приливное трение. Когда Земля вращается, притяжение Луны (и солнца, в меньшей степени) притягивает океаны Земли. Это растягивает моря так, что они выпирают из центра Земли, откачивая энергию от спина и замедляя его, сказал соавтор исследования Брайан Арбик, профессор кафедры наук о земле и окружающей среде в Колледже литературы, науки и искусства Мичиганского университета.
Это замедление невелико, но оно добавило до нескольких часов дополнительного дневного света в течение сотен миллионов лет; и это замедление все еще продолжается сегодня, сказал Арбик Live Science по электронной почте.
«Приливное трение продолжает замедлять скорость вращения — дни будут продолжать удлиняться в течение геологического времени», — сказал Арбик.
Исследователи смоделировали сценарии, которые варьировали продолжительность дня и выход кислорода из микробных матов. Когда они сравнили свои модели с анализом конкурирующих микробных матов, взятых из Средней островной воронки, они нашли подтверждение своих предсказаний: фотосинтезирующие бактерии выделяли больше кислорода, когда дни были длиннее.
Это было не потому, что микробы фотосинтезировали больше; скорее, это было потому, что более длительные периоды солнечного света означали, что больше кислорода выходило из циновок за один день, сказал соавтор исследования Арджун Ченну, научный сотрудник Лейбницского Центра тропических морских исследований в Бремене.
«Это тонкое расцепление высвобождения кислорода от солнечного света лежит в основе механизма», — сказал Ченну в своем заявлении.
Атмосфера Земли сформировалась после того, как планета сформировалась и остыла, около 4,6 миллиарда лет назад, и состояла в основном из сероводорода, метана и углекислого газа (CO2) — в 200 раз больше, чем сегодня в атмосфере, по данным Смитсоновского центра экологических исследований.
Все это изменилось после Великого события окисления около 2,4 миллиарда лет назад, за которым последовало событие неопротерозойской оксигенации около 2 миллиардов лет спустя, доведя атмосферный кислород до современного уровня около 21%. Эти два события оксигенации ранее были связаны с активностью фотосинтезирующих цианобактерий, и эти новые данные свидетельствуют о том, что другой фактор мог быть продолжительностью дня на Земле — «ранее в значительной степени не учитываемый фактор» — становясь достаточно длительным, чтобы вызвать высвобождение еще большего количества кислорода из микробных матов, работая «параллельно с другими ранее предполагаемыми факторами оксигенации», — сказал Клатт.
Результаты исследования были опубликованы 2 августа в журнале Nature Geoscience.