Кислород для жизни появился благодаря Луне

Хотя замедление Земли не заметно в человеческих масштабах времени, этого достаточно, чтобы произошли значительные изменения в течение эонов. Одно из этих изменений, как показывают новые исследования, возможно, является наиболее значительным из всех, по крайней мере для нас: удлинение дней теперь связано с насыщением кислородом атмосферы Земли.

В частности, сине-зеленые водоросли (или цианобактерии), которые возникли и размножились около 2,4 миллиарда лет назад, могли бы производить больше кислорода в качестве побочного продукта метаболизма, потому что дни Земли становились длиннее.

"Неизменный вопрос в науках о Земле заключался в том, как атмосфера Земли получила кислород и какие факторы контролировались, когда происходило оксигенация", - сказал микробиолог Грегори Дик из Мичиганского университета.

"Наши исследования показывают, что скорость вращения Земли - другими словами, ее продолжительность дня - могла иметь важное влияние на характер и время насыщения Земли кислородом".

В этой истории есть два основных компонента, которые, на первый взгляд, не имеют большого отношения друг к другу. Во-первых, замедляется вращение Земли.

Причина замедления вращения Земли заключается в том, что Луна оказывает на планету гравитационное притяжение, которое вызывает замедление вращения, поскольку Луна постепенно удаляется.

На основании летописи окаменелостей мы знаем, что 1,4 миллиарда лет назад дни составляли всего 18 часов, что на полчаса короче, чем сегодня, 70 миллионов лет назад. Факты свидетельствуют о том, что мы выигрываем на 1,8 миллисекунды за столетие.

Второй компонент - это то, что известно как Великое событие окисления, когда цианобактерии появились в таких больших количествах, что в атмосфере Земли произошло резкое и значительное повышение содержания кислорода. Ученые думают, что без этого окисления жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не могла бы возникнуть; Итак, хотя сегодня цианобактерии могут немного отвлекаться, на самом деле без них нас бы здесь не было.

Мы все еще многого не знаем об этом событии, включая такие животрепещущие вопросы, как то, почему оно произошло именно тогда, а не когда-то раньше в истории Земли.

Чтобы соединить точки, потребовалось ученым, работающим с цианобактериальными микробами. В котловине на Мидл-Айленде в озере Гурон можно найти микробные маты, которые считаются аналогом цианобактерий, ответственных за Великое событие окисления. Пурпурные цианобактерии, производящие кислород посредством фотосинтеза, и белые микробы, метаболизирующие серу, соревнуются в микробном мате на дне озера. Ночью белые микробы поднимаются на верхнюю часть микробной циновки и поедают серу. Когда наступает день и Солнце встает достаточно высоко в небе, белые микробы отступают, а фиолетовые цианобактерии поднимаются на вершину.

"Теперь они могут начать фотосинтез и производить кислород", - сказала геомикробиолог Джудит Клатт из Института морской микробиологии Макса Планка в Германии. "Однако до того, как они действительно начнут действовать, требуется несколько часов, утром наблюдается долгая задержка. Похоже, цианобактерии встают поздно".

Это означает, что дневное время, в которое цианобактерии могут откачивать кислород, очень ограничено - и именно этот факт привлек внимание океанолога Брайана Арбика из Мичиганского университета. Он задавался вопросом, повлияло ли изменение продолжительности дня за всю историю Земли на фотосинтез.

"Возможно, подобная конкуренция между микробами способствовала задержке производства кислорода на ранней Земле", - пояснил Клатт. Чтобы продемонстрировать эту гипотезу, команда провела эксперименты и измерения микробов как в их естественной среде, так и в лабораторных условиях. Они также выполнили подробные исследования по моделированию на основе своих результатов, чтобы связать солнечный свет с производством кислорода микробами, а производство кислорода микробами с историей Земли.

"Интуиция подсказывает, что два 12-часовых дня должны быть подобны одному 24-часовому дню. Солнечный свет поднимается и опускается в два раза быстрее, а производство кислорода идет синхронно", - объяснил морской ученый Арджун Ченну из Центра тропических морских исследований Лейбница. в Германии.

"Но высвобождение кислорода из бактериальных матов нет, потому что оно ограничено скоростью молекулярной диффузии. Это тонкое разделение выделения кислорода из солнечного света лежит в основе механизма".

Эти результаты были включены в глобальные модели уровней кислорода, и команда обнаружила, что удлинение дней связано с увеличением количества кислорода на Земле - не только с Великим событием окисления, но и с другим, вторым атмосферным оксигенацией, называемым неопротерозойским событием оксигенации около 550-800 миллионов человек. много лет назад.

"Мы связываем воедино законы физики, действующие в самых разных масштабах, от молекулярной диффузии до планетарной механики. Мы показываем, что существует фундаментальная связь между продолжительностью дня и тем, сколько кислорода могут выделять обитающие на земле микробы", - сказал Ченну.

"Это довольно захватывающе. Таким образом мы связываем танец молекул в микробном мате с танцем нашей планеты и ее Луны".