Як Земля отримала свій кисень: учені вважають, справа в уповільненні обертання планети

Історія Землі налічує близько 4,5 мільярда років, і відтоді обертання Землі поступово сповільнювалося — унаслідок цього дні на ній ставали дедалі довшими. Хоча уповільнення обертання планети непомітне в масштабах людського часу, його достатньо, щоб призвести до значних змін протягом багатьох століть. Однак із цих змін, мабуть, найбільш значуща для людей: згідно з дослідженням 2021 року, подовження днів пов'язане з насиченням атмосфери Землі киснем, пише Science Alert.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Як атмосфера Землі насичувалася киснем

За словами мікробіолога Грегорі Діка з Мічиганського університету, синьо-зелені водорості (ціанобактерії), що з'явилися і розмножилися близько 2,4 мільярда років тому, могли виробляти більше кисню як побічний продукт метаболізму, оскільки тривалість днів на Землі збільшилася.

Десятиліттями вчені намагалися з'ясувати, як саме атмосфера Землі отримала кисень і які чинники контролювали процес цього насичення киснем. Дослідження показують, що швидкість обертання Землі, іншими словами, тривалість її світлового дня, могла суттєво впливати на характер і тривалість насичення планети киснем.

За словами вчених, у цьому процесі є два основні компоненти, які, на перший погляд, не мають жодного зв'язку:

• уповільнення обертання Землі;
• Велика окислювальна подія.

Причина уповільнення обертання планети полягає в тому, що Місяць чинить гравітаційне тяжіння на планету, що спричиняє уповільнення обертання, оскільки Місяць поступово віддаляється. Уже відомо, що 1,4 мільярда років тому тривалість доби становила 18 годин, а 70 мільйонів років — на 30 хвилин коротша, ніж сьогодні. Дані вказують на те, що ми виграємо 1,8 мілісекунди за століття.

Велика окислювальна подія — подія, коли ціанобактерії з'явилися в такій кількості, що в атмосфері Землі різко значно підвищився вміст кисню. Більшість дослідників вважають, що без Великої окислювальної події життя навряд чи існувало б у тому вигляді, яким ми його знаємо сьогодні. Однак нам усе ще багато чого невідомого про цю подію.

Роль ціанобактерій у насиченні атмосфери Землі киснем

Дослідники, які вивчають ціанобактеріальні мікроби, провели низку експериментів. У карстовій лійці острова Мідл-Айленд в озері Гурон виявлено мікробні мати, які вважаються аналогом ціанобактерій, відповідальних за Велику окислювальну подію.

Пурпурові ціанобактерії, що виробляють кисень за допомогою фотосинтезу, і білі мікроби, які метаболізують сірку, змагаються в мікробному маті на дні озера. Вночі білі мікроби піднімаються на поверхню і поглинають сірку. З настанням світанку, сонце піднімається досить високо, і в гру вступають фіолетові ціанобактерії — вони піднімаються вгору, тоді як білі опускаються. Однак минає кілька годин, перш ніж вони по-справжньому почнуть працювати, вранці спостерігається тривала затримка. Схоже ціанобактерії радше пізні пташенята, ніж жайворонки.

За словами геомікробіологині Джудіт Клатт з Інституту морської мікробіології Товариства Макса Планка в Німеччині, все вказує на те, що вікно часу доби, протягом якого ціанобактерії можуть виробляти кисень, дуже обмежене. Цей факт привернув увагу океанографа Браяна Арбіка з Мічиганського університету. Він зацікавився: чи вплинула зміна тривалості дня протягом історії Землі на фотосинтез. Можливо, що аналогічна конкуренція між мікробами сприяла затримці виробництва кисню на ранній Землі.

Вчені продемонстрували цю гіпотезу за допомогою експерименту і вимірювання на мікробах як у їхньому природному середовищі існування, так і в лабораторних умовах. На основі отриманих результатів вони також провели детальне моделювання, щоб пов'язати сонячне світло з виробництвом кисню мікробами, а також з історією Землі.

Результати були включені в глобальні моделі рівнів кисню, і результати показують, що подовження днів було пов'язане зі збільшенням вмісту кисню на Землі — не тільки з Великою окиснювальною подією, а й з іншою, другою за рахунком насиченням атмосфери киснем, відомою як Неопротерозойська оксигенаційна подія. Таким чином вчені змогли пов'язати активність молекул у мікробному маті з рухом Землі та її Місяця.

Нагадаємо, раніше ми писали про те, що два мільярди років пішло на те, щоб "закачати" в атмосферу Землі кисень.

Раніше Фокус писав про те, що на Землі зовсім не залишиться кисню: вчені вирахували час, коли це станеться.