Як уповільнення обертання Землі допомогло з'явитися кисню в атмосфері

Обертання Землі поступово сповільнюється з моменту її утворення близько 4,5 мільярда років тому, і саме це уповільнення могло відіграти ключову роль у появі кисню в атмосфері.

Про це розповідає Science Alert.

Хоча зміни відбуваються надто повільно, щоб їх можна було помітити за життя людини, протягом геологічних епох уповільнення обертання призвело до подовження дня.

Це, своєю чергою, могло створити умови для масового розмноження ціанобактерій — синьо-зелених водоростей, які близько 2,4 мільярда років тому почали виробляти кисень у великих кількостях як побічний продукт фотосинтезу.

“Одним із найбільших питань у науках про Землю є те, як і чому атмосфера отримала кисень”, — зазначив мікробіолог Грегорі Дік з Мічиганського університету.

“Наше дослідження показує, що тривалість земного дня могла безпосередньо впливати на оксигенацію атмосфери”.

Перша — це поступове уповільнення обертання Землі через гравітаційний вплив Місяця, який віддаляється від планети.

За оцінками вчених, 1,4 мільярда років тому земний день тривав лише 18 годин, а ще 70 мільйонів років тому — був на пів години коротшим за нинішній.

Сьогодні день подовжується приблизно на 1,8 мілісекунди кожне століття.

Друга подія — Велика окислювальна подія, під час якої ціанобактерії кардинально змінили склад атмосфери, значно підвищивши рівень кисню.

Саме ця зміна зробила можливим виникнення складного життя на планеті.

Щоб краще зрозуміти цей процес, вчені досліджували сучасні аналоги стародавніх ціанобактерій у карстовій вирві Мідл-Айленд в озері Гурон.

Там у мікробних матах конкурують пурпурові ціанобактерії, які виробляють кисень, і білі мікроби, що метаболізують сірку, що дозволяє моделювати давні процеси, які могли визначити хід еволюції життя на Землі.

Вночі білі мікроби піднімаються на поверхню мікробного шару й починають активно споживати сірку.

Коли ж Сонце сходить і піднімається досить високо, білі бактерії відступають углиб, а на поверхню виходять пурпурові ціанобактерії.

“Тепер вони можуть розпочати фотосинтез і виробляти кисень”, — пояснила геомікробіолог Джудіт Клатт з Інституту морської мікробіології Товариства Макса Планка (Німеччина).

Проте, за її словами, після сходу сонця проходить ще кілька годин, перш ніж ціанобактерії повноцінно активуються — наче вони більше “пізні пташки”, ніж “жайворонки”.

Це значно скорочує час, протягом якого бактерії встигають виробляти кисень за день.

Саме цей обмежений часовий проміжок зацікавив океанографа Брайана Арбіка з Університету Мічигану, який поставив питання: чи могло подовження дня на ранній Землі сприяти зростанню виробництва кисню?.

“Можливо, конкуренція між мікроорганізмами і справді затримувала збагачення атмосфери киснем у давні часи”, — пояснила Клатт.

Щоб перевірити цю гіпотезу, вчені провели експерименти і вимірювання як у природних умовах, так і в лабораторіях, а також створили детальні комп’ютерні моделі для опису взаємозв’язку між тривалістю дня, сонячним світлом і виробництвом кисню.

“На перший погляд здається, що два 12-годинні дні нічим не відрізняються від одного 24-годинного.

Сонце сходить і заходить швидше, і виробництво кисню має просто слідувати цьому циклу”, — зауважив океанограф Арджун Ченну із Центру тропічних морських досліджень імені Лейбніца.

Однак реальність складніша: вироблення кисню обмежується швидкістю молекулярної дифузії, тому час активного фотосинтезу має критичне значення.

Інтегрувавши ці результати у глобальні моделі розвитку Землі, вчені встановили, що подовження дня справді збігалося з підвищенням вмісту кисню в атмосфері.

“Ми пов’язали закони фізики на різних рівнях — від молекулярної дифузії до планетарної механіки.

І показали: тривалість земного дня прямо впливає на обсяг кисню, який виробляють мікроби”, — підкреслив Ченну.

“Це дійсно вражає.

Ми поєднуємо танець молекул у мікробних матах із танцем Землі навколо своєї осі та орбіти Місяця”.