Длинный день для микробов
Замедление вращения Земли влияет на содержание кислорода в атмосфере.
Жизнь на Земле зависит от наличия кислорода. Однако процесс, лежащий в основе постепенного повышения уровня кислорода в атмосфере, которое происходило на протяжении почти двух миллиардов лет, остается предметом дискуссий. Международная группа ученых предлагает интригующее объяснение: увеличение длины дня в результате замедления вращения Земли могло позволить микроорганизмам выделять больше кислорода, создавая тем самым воздух, которым мы дышим сегодня.
Практически весь кислород на Земле производился и производится с помощью фотосинтеза, который был изобретен крошечными организмами, цианобактериями, когда наша планета была еще довольно непригодным для жизни местом. Цианобактерии эволюционировали более 2,4 миллиарда лет назад, но Земля очень медленно превратилась в богатую кислородом планету, которую мы знаем сегодня. "Мы не до конца понимаем, почему это заняло так много времени и какие факторы контролировали насыщение Земли кислородом", - говорит геомикробиолог Джудит Клатт. "Но при изучении цианобактерий в озере Гурон в Мичигане, которые живут в условиях, напоминающих раннюю Землю, у меня возникла идея".
Вода в озере, где грунтовые воды просачиваются со дна озера, имеет очень низкое содержание кислорода. "Жизнь на дне озера в основном микробная и служит рабочим аналогом условий, которые преобладали на нашей планете в течение миллиардов лет", - рассказывает Клатт. Микробы там представлены в основном пурпурными цианобактериями, вырабатывающими кислород, которые конкурируют с бактериями, окисляющими серу. Первые вырабатывают энергию с помощью солнечного света, вторые - с помощью серы. Чтобы выжить, эти бактерии каждый день исполняют что-то типа танца.
С заката до рассвета серноядные бактерии лежат поверх цианобактерий, перекрывая им доступ к солнечному свету. Когда утром выходит солнце, серноеды перемещаются вниз, а цианобактерии поднимаются на поверхность. "Теперь они могут начать фотосинтез и производить кислород", - объясняет Клатт. "Однако, прежде чем они действительно начнут работать, должно пройти несколько часов, утром наблюдается длительная задержка. Похоже, что цианобактерии скорее поздно встают, чем любят утро". В результате их время для фотосинтеза ограничено всего несколькими часами каждый день. Когда Брайан Арбик, океанограф из Мичиганского университета, услышал об этом дневном танце микроорганизмов, он задал интригующий вопрос: "Может ли это означать, что изменение продолжительности дня влияло на фотосинтез на протяжении истории Земли?".
Продолжительность дня на Земле не всегда составляла 24 часа. "Когда сформировалась система Земля-Луна, дни были намного короче, возможно, даже короче шести часов, - объясняет Арбик. Затем вращение нашей планеты замедлилось под действием гравитации Луны и приливных сил, и дни стали длиннее". Некоторые исследователи также предполагают, что замедление вращения Земли было прервано примерно на один миллиард лет, что совпало с длительным периодом низкого глобального уровня кислорода. После этого перерыва, когда вращение Земли снова начало замедляться около 600 миллионов лет назад, произошел еще один крупный переход в уровне глобальной концентрации кислорода.
Отметив поразительное совпадение между характером насыщения Земли кислородом и скоростью вращения в геологическом масштабе, Клатт была очарована мыслью о том, что между этими двумя явлениями может существовать связь - связь, выходящая за рамки задержки фотосинтеза "позднего вставания". "Я поняла, что продолжительность дня и выделение кислорода из микробных отложений связаны между собой очень простой и фундаментальной концепцией: в течение короткого дня меньше времени для развития градиентов и, следовательно, меньше кислорода может выйти из отложений", - предположила Клатт.
Используя программное обеспечение Клатт изучила, как динамика солнечного света связана с выделением кислорода из отложений. "Интуиция подсказывает, что два 12-часовых дня должны быть похожи на один 24-часовой день. Солнце поднимается и опускается в два раза быстрее, и производство кислорода идет в ногу со временем. Но выделение кислорода из бактериальных отложений не происходит, потому что оно ограничено скоростью молекулярной диффузии.
Чтобы понять, как процессы, происходящие в течение суток, могут повлиять на долгосрочное насыщение кислородом, Клатт и ее коллеги включили полученные результаты в глобальные модели уровня кислорода. Анализ показывает, что повышенное выделение кислорода в результате изменения длины дня могло повысить уровень кислорода в глобальном масштабе. Это связь между деятельностью крошечных организмов и глобальными процессами. "Мы связываем вместе законы физики, действующие в совершенно разных масштабах, от молекулярной диффузии до планетарной механики. Мы показываем, что существует фундаментальная связь между длиной дня и тем, сколько кислорода могут выделять обитающие на земле микробы", - отметила Клатт.
"Это очень волнующе. Мы связываем танец микроорганизмов с танцем нашей планеты и ее Луны".
В целом, два крупных события оксигенации в истории Земли - Великое событие оксигенации более двух миллиардов лет назад и более позднее событие оксигенации в Неопротерозое - могут быть связаны с увеличением длины дня. Поэтому увеличение длины дня могло повысить чистую продуктивность бентоса настолько, чтобы повлиять на уровень кислорода в атмосфере.
