Сповільнення Землі могло створити умови для появи кисню в атмосфері

З моменту свого утворення близько 4,5 мільярдів років тому обертання Землі поступово сповільнюється, і в результаті її дні стають дедалі довшими. Хоча уповільнення руху Землі непомітне в людських часових шкалах, цього достатньо, щоб спричинити значні зміни протягом еонів. Одна з цих змін, мабуть, є найважливішою з усіх, принаймні для нас: подовження дня пов’язане з насиченням земної атмосфери киснем, згідно з дослідженням 2021 року.

Зокрема, синьо-зелені водорості (або ціанобактерії), що з’явилися та розмножилися близько 2,4 мільярда років тому, могли б виробляти більше кисню як побічний продукт метаболізму, оскільки земні дні ставали довшими. Перегляньте відео нижче, щоб ознайомитися з коротким описом дослідження.

«Постійним питанням у науках про Землю було те, як атмосфера Землі отримувала кисень і які фактори контролювали це насичення киснем», – пояснив у 2021 році мікробіолог Грегорі Дік з Мічиганського університету. «Наше дослідження показує, що швидкість обертання Землі – іншими словами, тривалість її дня – могла мати важливий вплив на характер та час насичення Землі киснем».

У цій історії є два основні компоненти, які, на перший погляд, не мають великого відношення один до одного. Перший полягає в тому, що обертання Землі сповільнюється. Причина сповільнення обертання Землі полягає в тому, що Місяць чинить гравітаційне тяжіння на планету, що викликає уповільнення обертання, оскільки Місяць поступово віддаляється. На основі палеонтологічних знахідок ми знаємо, що 1,4 мільярда років тому день тривав лише 18 годин, а 70 мільйонів років тому він був на пів години коротшим, ніж сьогодні. Дані свідчать про те, що ми виграємо 1,8 мілісекунди на століття.

Другий компонент — це те, що відомо як Велика окислювальна подія — коли ціанобактерії з’явилися в такій великій кількості, що атмосфера Землі зазнала різкого та значного зростання вмісту кисню. Вчені вважають, що без цього окислення життя, яким ми його знаємо, не змогло б виникнути; тому, хоча ціанобактерії сьогодні можуть бути дещо косоокими, нас би, ймовірно, не було без них.

Нам досі багато чого невідомо про цю подію, зокрема такі пекучі питання, як чому вона сталася саме тоді, а не колись раніше в історії Землі. Вченим знадобилося працювати з ціанобактеріальними мікробами, щоб з’єднати крапки. У проваллі Середнього острова в озері Гурон можна знайти мікробні килимки, які вважаються аналогом ціанобактерій, відповідальних за Велику окислювальну подію.

Фіолетові ціанобактерії, що виробляють кисень шляхом фотосинтезу, та білі мікроби, що метаболізують сірку, конкурують у мікробному килимку на дні озера. Вночі білі мікроби піднімаються на поверхню мікробного килимка та займаються своєю справою, пожираючи сірку. Коли настає день і сонце піднімається досить високо в небо, білі мікроби відступають, а фіолетові ціанобактерії піднімаються нагору.

«Тепер вони можуть почати фотосинтезувати та виробляти кисень», – сказала геомікробіолог Юдіт Клатт з Інституту морської мікробіології імені Макса Планка в Німеччині. «Однак, перш ніж вони по-справжньому почнуть працювати, потрібно кілька годин, вранці є велика затримка. Здається, ціанобактерії радше встають пізно, ніж жайворонки».

Це означає, що проміжок часу доби, протягом якого ціанобактерії можуть виробляти кисень, дуже обмежений – і саме цей факт привернув увагу океанографа Брайана Арбіка з Мічиганського університету. Він задався питанням, чи вплинула зміна тривалості дня протягом історії Землі на фотосинтез.

«Можливо, подібний тип конкуренції між мікробами сприяв затримці вироблення кисню на ранній Землі», – пояснив Клатт.

Щоб продемонструвати цю гіпотезу, команда провела експерименти та вимірювання мікробів, як у їхньому природному середовищі, так і в лабораторних умовах. Вони також провели детальні моделюючі дослідження на основі своїх результатів, щоб пов’язати сонячне світло з виробництвом кисню мікробами, а виробництво кисню мікробами з історією Землі.

«Інтуїція підказує, що два 12-годинні дні мають бути схожими на один 24-годинний день. Сонячне світло сходить і заходить вдвічі швидше, і вироблення кисню відбувається в ногу з цим», – пояснив морський вчений Арджун Ченну з Центру тропічних морських досліджень Лейбніца в Німеччині. «Але вивільнення кисню з бактеріальних матів цього не відбувається, оскільки воно обмежене швидкістю молекулярної дифузії. Це тонке роз’єднання вивільнення кисню від сонячного світла є основою механізму».

Ці результати були враховані в глобальних моделях рівня кисню, і команда виявила, що подовження дня пов’язане зі збільшенням рівня кисню на Землі – не лише з Великою подією окислення, а й з іншою, другою атмосферною оксигенацією, яка називається неопротерозойською подією оксигенації приблизно від 550 до 800 мільйонів років тому.

«Ми пов’язуємо закони фізики, що діють на дуже різних масштабах, від молекулярної дифузії до планетарної механіки. Ми показуємо, що існує фундаментальний зв’язок між тривалістю дня та кількістю кисню, який можуть вивільняти наземні мікроби», – сказав Чену. «Це досить захопливо. Таким чином ми пов’язуємо танець молекул у мікробному килимку з танцем нашої планети та її Місяця». Дослідження було опубліковано в журналі Nature Geoscience.