Как замедление вращения Земли помогло появиться кислороду в атмосфере

Вращение Земли постепенно замедляется с момента ее образования около 4,5 млрд лет назад, и именно это замедление могло сыграть ключевую роль в появлении кислорода в атмосфере.

Об этом рассказывает Science Alert.

Хотя изменения происходят слишком медленно, чтобы их можно было заметить при жизни человека, в течение геологических эпох замедление вращения привело к продлению дня.

Это в свою очередь могло создать условия для массового размножения цианобактерий — сине-зеленых водорослей, которые около 2,4 миллиарда лет назад начали производить кислород в больших количествах как побочный продукт фотосинтеза.

"Одним из самых больших вопросов в науках о Земле является то, как и почему атмосфера получила кислород", - отметил микробиолог Грегори Дик из Мичиганского университета.

“Наше исследование показывает, что продолжительность земного дня могла оказывать непосредственное влияние на оксигенацию атмосферы”.

Два больших события в истории планеты связаны между собой.

Первая — это постепенное замедление вращения Земли из-за гравитационного влияния Луны, которая удаляется от планеты.

По оценкам ученых, 1,4 миллиарда лет назад земной день длился всего 18 часов, а еще 70 миллионов лет назад — был на пол часа короче нынешнего.

Сегодня день удлиняется примерно на 1,8 миллисекунды каждый век.

Второе событие — крупное окислительное событие, в ходе которого цианобактерии кардинально изменили состав атмосферы, значительно повысив уровень кислорода.

Именно это изменение сделало возможным возникновение сложной жизни на планете.

Чтобы лучше понять этот процесс, ученые исследовали современные аналоги древних цианобактерий в карстовой воронке Мидл-Айленд в озере Гурон.

Там в микробных матах конкурируют пурпурные цианобактерии, производящие кислород, и белые микробы, метаболизирующие серу, позволяющие моделировать древние процессы, которые могли определить ход эволюции жизни на Земле.

Ночью белые микробы поднимаются на поверхность микробного слоя и начинают активно употреблять в пищу серу.

Когда Солнце восходит и поднимается достаточно высоко, белые бактерии отступают вглубь, а на поверхность выходят пурпурные цианобактерии.

"Теперь они могут начать фотосинтез и производить кислород", - объяснила геомикробиолог Джудит Клатт из Института морской микробиологии Общества Макса Планка (Германия).

Однако, по ее словам, после восхода солнца проходит еще несколько часов, прежде чем цианобактерии полноценно активируются — как будто они более "поздние птички", чем "жаворонки".

Это значительно сокращает время, в течение которого бактерии успевают производить кислород за день.

Именно этот ограниченный промежуток времени заинтересовал океанографа Брайана Арбика из Университета Мичигана, который задал вопрос: могло ли продление дня на ранней Земле способствовать росту производства кислорода?.

"Возможно, конкуренция между микроорганизмами действительно задерживала обогащение атмосферы кислородом в древние времена", - пояснила Клатт.

Чтобы проверить эту гипотезу, учёные провели эксперименты и измерения как в естественных условиях, так и в лабораториях, а также создали подробные компьютерные модели для описания взаимосвязи между продолжительностью дня, солнечным светом и производством кислорода.

"На первый взгляд кажется, что два 12-часовых дня ничем не отличаются от одного 24-часового.

Солнце восходит и заходит быстрее, и производство кислорода должно просто следовать этому циклу", - отметил океанограф Арджун Ченну из Центра тропических морских исследований имени Лейбница.

Однако реальность более сложна: выработка кислорода ограничивается скоростью молекулярной диффузии, поэтому время активного фотосинтеза имеет критическое значение.

Интегрировав эти результаты в глобальные модели развития Земли, ученые установили, что удлинение дня действительно совпадало с повышением содержания кислорода в атмосфере.

Это касалось не только Великого окислительного события 2,4 миллиарда лет назад, но и неопротерозойского оксигенационного этапа около 550-800 миллионов лет назад.

"Мы связали законы физики на разных уровнях – от молекулярной диффузии до планетарной механики.

И показали: продолжительность земного дня напрямую влияет на объем кислорода, который производят микробы", – подчеркнул Ченну.