Wzrost tlenu na wczesnej Ziemi koreluje ze zmianą długości dnia

Praktycznie cały tlen na Ziemi był i jest wytwarzany przez fotosyntezę, wynalezioną przez mikroorganizmy, sinice, kiedy nasza planeta była jeszcze miejscem nie do zamieszkania. Cyjanobakterie wyewoluowały ponad 2,4 miliarda lat temu, pokazują stromatolity — skamieniałe maty mikrobiologiczne — ale przekształcenie Ziemi w bogatą w tlen planetę, którą znamy dzisiaj, zajęło prawie dwa miliardy lat.

„Nie do końca rozumiemy, dlaczego trwało to tak długo i jakie czynniki kontrolują natlenienie Ziemi” – powiedziała mikrobiolog Judith Clatt. „Ale kiedy badałem maty z sinicami w centralnej sadzawce na wyspie jeziora Huron w Michigan, które żyją we wczesnych warunkach ziemskich, wpadłem na pomysł”.

Klatt współpracował z zespołem badaczy Grega Dicka z University of Michigan, aby zbadać drobnoustroje i cyjanobakterie, które kolonizują przepływy wód gruntowych na dnie jeziora Huron, gdzie poziom tlenu jest bardzo niski.

„Życie na dnie jeziora to zasadniczo mikroby, które służą jako działający odpowiednik warunków, które dominowały na naszej planecie od miliardów lat” – mówi Bobby Bedanda, współpracujący ekolog mikrobiologiczny z Grand Valley State University. Mikroby to w zasadzie niebiesko-fioletowe bakterie wytwarzające tlen, które konkurują z białymi bakteriami utleniającymi siarkę. Te pierwsze wytwarzają energię za pomocą światła słonecznego, a te drugie za pomocą siarki.

Od zmierzchu do świtu bakterie zjadające siarkę leżą na powierzchni sinic, blokując im dostęp do światła słonecznego. Gdy rano wschodzi słońce, siarkożercy przesuwają się w dół, a na powierzchnię maty unoszą się sinice.

Teraz mogą rozpocząć fotosyntezę i produkować tlen. Jednak mija kilka godzin, zanim naprawdę się zaczną, a rano jest duże opóźnienie. Clatt wyjaśnił, że cyjanobakterie są typem późniejszego ptactwa niż ludzie, którzy wstają rano.

W rezultacie ich czas na fotosyntezę jest ograniczony do zaledwie kilku godzin dziennie.

Kiedy Brian Arbeck, fizyk oceanograf z Uniwersytetu Michigan, usłyszał o tej codziennej zmianie mikrobiologicznej, zadał intrygujące pytanie: „Czy to może oznaczać, że zmiana długości dnia wpłynie na fotosyntezę w historii Ziemi?”

Długość dnia na Ziemi nie zawsze wynosiła 24 godziny. „Kiedy uformował się układ Ziemia-Księżyc, dni były znacznie krótsze, może nawet sześć godzin” – wyjaśnił Arbeck. Następnie rotacja naszej planety zwolniła z powodu przyciągania grawitacyjnego Księżyca i tarcia pływów, a dni wydłużyły się. Niektórzy badacze sugerują również, że spowolnienie obrotu Ziemi zatrzymało się na około miliard lat, co zbiegło się z przedłużonym okresem spadku globalnego poziomu tlenu. Po tej przerwie, kiedy obrót Ziemi ponownie zaczął zwalniać około 600 milionów lat temu, nastąpiła kolejna poważna zmiana w globalnych stężeniach tlenu.

Po zauważeniu uderzającego podobieństwa między wzorcem natleniania Ziemi a tempem cyrkulacji w geologicznych skalach czasu, Klatt był zaintrygowany ideą możliwego związku między nimi.

„Zdałem sobie sprawę, że długość dnia i uwalnianie tlenu z mat mikrobiologicznych są związane z bardzo podstawową i podstawową koncepcją: podczas krótkich dni jest mniej czasu na rozwój gradientów, a zatem mniej tlenu może uciekać z mat” – postulował Klatt.

Klatt współpracował z Arjunem Chennu, który pracował również w Instytucie Mikrobiologii Morskiej im. Maxa Plancka, a obecnie prowadzi własną grupę w Centrum Badań Morza Tropikalnego Leibniza (ZMT) w Bremie. W oparciu o oprogramowanie typu open source opracowane przez Chennu na potrzeby tego badania zbadali, w jaki sposób dynamika światła słonecznego koreluje z uwalnianiem tlenu z mat.

„Intuicja sugeruje, że dwa 12-godzinne dni powinny być takie same jak 24-godzinny dzień. Światło słoneczne wschodzi i opada z dwukrotnie większą prędkością, a produkcja tlenu następuje w stałym tempie. Ale uwalnianie tlenu z mat bakteryjnych nie występuje , ponieważ jest ograniczony przez prędkość dyfuzji molekularnej” – powiedział Chino: „Ta precyzyjna separacja tlenu emitowanego przez światło słoneczne jest sercem mechanizmu”.

Aby zrozumieć, w jaki sposób procesy zachodzące w ciągu jednego dnia mogą wpływać na tlen w dłuższej perspektywie, Klatt i jej współpracownicy połączyli swoje wyniki z globalnymi modelami poziomu tlenu. Analiza sugeruje, że zwiększone uwalnianie tlenu z powodu zmiany długości dnia mogło zwiększyć poziom tlenu na całym świecie. Jest łącznikiem między aktywnością mikroorganizmów a procesami globalnymi.

Łączymy prawa fizyki, które działają na bardzo różnych poziomach, od dyfuzji molekularnej po mechanikę planetarną. Pokazujemy, że istnieje fundamentalny związek między długością dnia a ilością tlenu, którą mogą uwolnić żyjące na Ziemi mikroby” – powiedział Chino – „To bardzo ekscytujące. W ten sposób łączymy taniec molekuł na dywaniku drobnoustrojów z tańcem naszej planety i księżyca”.

Ogólnie rzecz biorąc, dwa główne zdarzenia oksydacyjne (skoki stężenia tlenu) w historii Ziemi — Wielkie Utlenianie sprzed ponad 2 miliardów lat i późniejsze utlenianie — mogą być związane ze zwiększoną długością dnia. W związku z tym zwiększona długość dnia mogła zwiększyć produktywność netto bentosu na tyle, aby wpłynąć na poziom tlenu atmosferycznego. Klatt podsumowuje: „Manipulowanie tak szerokim zakresem skal czasowych i przestrzennych było oszałamiające – i było świetną zabawą”.

ten Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie w formie otwartego dostępu. nauki przyrodnicze.