Как Земля получила свой кислород: ученые считают, дело в замедлении вращения планеты

История Земли насчитывает около 4,5 миллиарда лет и с этого момента вращение Земли постепенно замедлялось – в результате дни на ней становились все длиннее. Хотя замедление вращения планеты незаметно в масштабах человеческого времени, его достаточно, чтобы привести к значительным изменениям в течение многих веков. Однако из этих изменений, пожалуй, самое значительное для людей: согласно исследованию 2021 года, удлинение дней связано с насыщением атмосферы Земли кислородом, пишет Science Alert.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Как атмосфера Земли насыщалась кислородом

По словам микробиолога Грегори Дика из Мичиганского университета, сине-зеленые водоросли (цианобактерии), появившиеся и размножившиеся около 2,4 миллиарда лет назад, могли производить больше кислорода в качестве побочного продукта метаболизма, поскольку продолжительность дней на Земле увеличилась.

Десятилетиями ученые пытались выяснить, как именно атмосфера Земли получила кислород и какие факторы контролировали процесс этого насыщения кислородом. Исследования показывают, что скорость вращения Земли, другими словами, продолжительность ее светового дня, могла существенно влиять на характер и продолжительность насыщения планеты кислородом.

По словам ученых, в этом процессе есть два основных компонента, на первый взгляд, не имеющих никакой связи:

• замедление вращения Земли;
• Великое окислительное событие.

Причина замедления вращения планеты заключается в том, что Луна оказывает гравитационное притяжение на планету, что вызывает замедление вращения, поскольку Луна постепенно отдаляется. Уже известно, что 1,4 миллиарда лет тому продолжительность суток составляла 18 часов, а 70 миллионов лет – на 30 минут короче, чем сегодня. Данные указывают на то, что мы выигрываем 1,8 миллисекунды за столетие.

Великое окислительное событие – событие, когда цианобактерии появились в таком количестве, что в атмосфере Земли резко значительно повысилось содержание кислорода. Большинство исследователей считают, что без Великого окислительного события жизнь вряд ли существовала бы в том виде, какой мы ее знаем сегодня. Однако нам все еще многое неизвестное об этом событии.

Роль цианобактерий в насыщении атмосферы Земли кислородом

Исследователи, изучающие цианобактериальные микробы, провели ряд экспериментов. В карстовой воронке острова Мидл-Айленд в озере Гурон обнаружены микробные маты, которые считаются аналогом цианобактерий, ответственных за Великое окислительное событие.

Пурпурные цианобактерии, вырабатывающие кислород посредством фотосинтеза, и белые микробы, метаболизирующие серу, соревнуются в микробном мате на дне озера. Ночью белые микробы поднимаются на поверхность и поглощают серы. С наступлением рассвета, солнце поднимается достаточно высоко, и в игру вступают фиолетовые цианобактерии – они поднимаются вверх, в то время как белые опускаются. Однако проходит несколько часов, прежде чем они по-настоящему начнут работать, утром наблюдается длительная задержка. Похоже, цианобактерии скорее поздние пташки, чем жаворонки.

По словам геомикробиолога Джудит Клатт из Института морской микробиологии Общества Макса Планка в германии, все указывает на то, что окно времени суток, в течение которого цианобактерии могут вырабатывать кислород очень ограничено. Этот факт привлек внимание океанографа Брайана Арбика из Мичиганского университета. Он задался вопросом: повлияло ли изменение продолжительности дня на протяжении истории Земли на фотосинтез. Возможно, что аналогичная конкуренция между микробами способствовала задержке производства кислорода на ранней Земле.

Ученые продемонстрировали эту гипотезу с помощью эксперимента и измерения на микробах как в их естественной среде обитания, так и в лабораторных условиях. На основе полученных результатов они также провели детальное моделирование, чтобы связать солнечный свет с производством кислорода микробами, а также с историей Земли.

Результаты были включены в глобальные модели уровней кислорода и результаты показывают, что удлинение дней было связано с увеличением содержания кислорода на Земле – не только с Великим окислительным событием, но и с другим, вторым по счету насыщением атмосферы кислородом, известным как Неопротерозойское оксигенационное событие. Таким образом ученые смогли связать активность молекул в микробном мате с движением Земли и ее Луны.