Землю и Луну связали изменения суток с ростом кислорода в атмосфере

Мир наполнен множеством взаимосвязей, часто скрытых от поверхностного взгляда. Привычные смены дня и ночи, а также состав атмосферы сформировались в результате длительных процессов, остающихся мало заметными.

Длительность земных суток, казавшаяся неизменной, на самом деле менялась на протяжении миллиардов лет. Эти изменения могли оказать существенное влияние на появление кислорода в атмосфере и развитие сложной жизни. Вопрос о насыщении земной атмосферы кислородом является ключевым в науках о Земле. В начале своего существования планета имела другой газовый состав. Появление кислорода стало важной вехой для жизни, однако факторы, определявшие время этого события, оставались предметом изучения.

Ученые долгое время искали объяснения, рассматривая геологические и биологические процессы. Новое исследование связывает эту проблему с астрономическим явлением — изменением скорости вращения Земли. Вращение планеты вокруг оси не всегда было таким, как сейчас. Миллиарды лет назад сутки были значительно короче. Это влияние могло непосредственно затрагивать биологические процессы на поверхности. Вопрос — каким образом длина суток воздействовала на состав атмосферы и кто обеспечивал производство кислорода в те времена?

С момента формирования Земли около 4,5 миллиарда лет назад её вращение замедляется. Основной причиной является гравитационное воздействие Луны, которая постепенно удаляется, забирая часть вращательного момента. Хотя это замедление почти неощутимо за человеческую жизнь (прибавка примерно 1,8 миллисекунды в столетие), за геологические эпохи оно изменило длительность суток значительно. Например, 1,4 миллиарда лет назад сутки длились около 18 часов, а 70 миллионов лет назад были короче современных примерно на полчаса.

Цианобактерии, или сине-зеленые водоросли, сыграли главную роль в насыщении атмосферы кислородом. Эти микроорганизмы, появившиеся и размножавшиеся примерно 2,4 миллиарда лет назад, осуществляли фотосинтез, выделяя кислород. Их активность вызвала Великое кислородное событие — резкий рост содержания кислорода в атмосфере, который стал необходимым для возникновения сложных форм жизни.

Исследование 2021 года выявило связь между увеличением длительности суток и эффективностью кислородного производства цианобактериями. Ученые анализировали микробные маты в карстовой воронке Мидл-Айленд на озере Гурон, считающиеся аналогом древних цианобактериальных сообществ.

В этих матах пурпурные цианобактерии, производящие кислород, конкурируют с белыми микробами, перерабатывающими серу. Ночью доминируют серные микробы, а с рассветом цианобактерии начинают фотосинтез, но им требуется несколько часов на активацию. Так называемый «утренний лаг» сокращал время для эффективного производства кислорода при коротких сутках. По мере удлинения дней из-за замедления вращения Земли цианобактерии получали больше времени для фотосинтеза. Кроме того, выделение кислорода из микробных матов ограничивалось скоростью молекулярной диффузии. При более длительном освещении процесс становился эффективнее, что позволяло большему количеству кислорода попадать в атмосферу, а не расходоваться внутри матов.

Модели, основанные на этих данных, показали, что удлинение суток действительно связано с ростом уровня кислорода в атмосфере Земли. Это объясняет не только Великое кислородное событие, но и второе значительное повышение кислорода — Неопротерозойское кислородное событие 550-800 миллионов лет назад.

Таким образом, изменение длины суток, вызванное взаимодействием Земли и Луны, влияло на процессы в микробных матах, создавая условия для кислородного дыхания. Это открытие демонстрирует тесную связь между планетарными механиками и эволюцией жизни.

Читайте также: