С момента образования планеты Земля около 4,5 миллиарда лет назад вращение нашей планеты постепенно замедлялось. Это привело к тому, что дни становились все длиннее. И хотя в масштабах человеческой жизни эти изменения незаметны, последние данные указывают, что они претерпевали существенные изменения.
Как пишет издание Live Science, исследование 2021 показывает, что продление дней имеет связь с изменением уровня насыщенности атмосферы Земли кислородом. Около 2,4 млрд. лет назад на нашей планете появились и размножились сине-зеленые водоросли (или цианобактерии). Они начали производить кислород как продукт своего метаболизма. В процессе того, как дни становились длиннее, они выпускали все больше этого вещества в атмосферу.
"В науках о Земле всегда был вопрос о том, как атмосфера Земли получала кислород, и какие факторы контролировали, когда происходила эта оксигенация", – объяснил микробиолог Грегори Дик из Мичиганского университета в 2021 году. И добавил, что последние полученные данные показывают, что скорость вращения Земли, то есть продолжительность дня на планете, могла повлиять на характер и время ее оксигенации.
В этой истории есть два основных компонента, которые, на первый взгляд, не имеют ничего общего. Первый состоит в том, что вращение Земли замедляется. Причина замедления вращения Земли заключается в том, что Луна оказывает гравитационное тяготение на планету, что приводит к замедлению вращения через постепенное удаление природного спутника.
Имеющиеся у исследователей данные показывают, что 1,4 миллиарда лет назад дни длились всего 18 часов, а вот 70 миллионов лет назад сутки были всего на 30 минут короче, чем сейчас. Подсчеты показывают, что мы выигрываем 1,8 миллисекунды за столетие.
Второй компонент – это то, что в науке известно как Великое окислительное событие. В этот момент цианобактерии появились в таких больших количествах, что атмосфера Земли претерпела резкий, значительный рост кислорода. Ученые считают, что без этого окисления жизнь, которую мы его знаем, не могла бы возникнуть. Впрочем, мы еще многое не знаем об этом событии. В частности, не понятно, почему это произошло именно в тот момент, когда произошло, а не в более ранний период существования Земли.
Чтобы связать все точки, понадобились ученые, исследующие цианобактерии. В карстовой воронке Мидл-Айленд в озере Гурон можно найти микробные маты, которые, как полагают, являются аналогом цианобактерий, ответственных за Великое окислительное событие.
Фиолетовые цианобактерии, производящие кислород с помощью фотосинтеза, и белые микробы, метаболизирующие серу, конкурируют в микробном мате на дне озера. Ночью белые микробы поднимаются наверх микробного мата и начинают поглощать серу. Когда наступает день, и Солнце поднимается достаточно высоко на небе, белые микробы отступают, а фиолетовые цианобактерии поднимаются вверх. По словам геомикробиолога Джудит Клатт из Института морской микробиологии Макса Планка в Германии, в этот момент они приступают к фотосинтезу и выработке кислорода. "Однако проходит несколько часов, прежде чем они действительно начнут работать, с утра наблюдается большая задержка. Похоже, цианобактерии скорее поздние пташки, чем жаворонки", – добавила исследовательница.
Это означает, что временное окно, в которое цианобактерии могут производить кислород, очень ограничено — и именно этот факт привлек внимание океанографа Брайана Арбика из Мичиганского университета. Он задал вопрос, повлияло ли изменение продолжительности дня на протяжении истории Земли на фотосинтез. "Возможно, что аналогичный тип конкуренции между микробами способствовал задержке выработки кислорода на ранней Земле", – пояснила Клатт.
Чтобы продемонстрировать эту гипотезу, команда провела эксперименты и измерения на микробах как в их среде, так и в лабораторных условиях. Они также провели подробные модельные исследования на основе своих результатов, чтобы увязать солнечный свет с выработкой микробного кислорода, а также выработку микробного кислорода с историей Земли.
"Интуиция подсказывает, что два 12-часовых дня должны быть похожи на один 24-часовой день. Солнечный свет поднимается и опускается вдвое быстрее, а выработка кислорода следует за ними", – объяснил морской ученый Арджун Ченну из Центра тропических морских исследований Лейбница в Германии. Но выделение кислорода из бактериальных матов не происходит, потому что оно ограничено скоростью молекулярной диффузии. "Это тонкое разделение выделения кислорода из солнечного света является основой механизма", – добавил он.
Эти результаты были включены в глобальные модели уровней кислорода, и команда обнаружила, что удлинение дня было связано с увеличением кислорода на Земле — не только с Большим событием окисления, но и с другим, вторым насыщением атмосферы кислородом, называемым Неопротерозойским событием оксигенации, которое произошло в период между 550 и 800 миллионами лет назад.
"Мы связываем воедино действующие в разных масштабах законы физики от молекулярной диффузии до планетарной механики. Мы показываем, что есть фундаментальная связь между продолжительностью дня и тем сколько кислорода могут выделять наземные микробы", — сказал Ченну. "Это достаточно увлекательно. Таким образом, мы связываем танец молекул в микробном мате с танцем нашей планеты и ее Луны", – добавил он.