Появление кислорода в атмосфере Земли связали с замедлением ее вращения

Ученые показали, что удлинение суток ведет к более продуктивному фотосинтезу и, возможно, некогда помогло цианобактериям совершить кислородную революцию на древней Земле.

Благодаря гравитации Луны скорость вращения нашей планеты постепенно замедляется, а сутки становятся длиннее примерно на две миллисекунды за столетие. На масштабах человеческой жизни эти изменения незаметны, но, накапливаясь миллионами лет, они оказывают огромное влияние на всю биосферу. Возможно, именно они привели к одной из самых серьезных трансформаций в истории жизни — появлению кислородной атмосферы.

Считается, что главные события развивались около 2,4 миллиарда лет назад или раньше. В тот период появились фотосинтезирующие цианобактерии, выделявшие кислород, который растворялся в океане, оседал в минеральных соединениях, заполнял воздух. И, судя по данным новой работы, важную роль в этой кислородной революции сыграла продолжительность суток. Об этом рассказывается в новой статье ученых из Германии и США, опубликованной в журнале Nature Geoscience.

На возможную связь исследователей натолкнули бактерии, обитающие в провале Миддл-Айленд (Middle Island Sinkhole) — естественной подводной каверне на озере Гурон в Северной Америке. Условия там экстремальны: вода насыщена серой и бедна кислородом. Однако камни покрыты процветающими сообществами микробов-экстремофилов, образующих многослойные бактериальные маты. Цианобактерии в них соседствуют и соперничают с сульфатредуцирующими бактериями, которые вырабатывают энергию без света, с использованием сульфата.

Биологи заметили, что в темное время суток сульфатредукторы поднимаются ближе к поверхности многослойного мата, а в светлое им на смену приходят фотосинтезирующие цианобактерии. Этот ежесуточный круговорот связан с конкуренцией микробов за доступ к поверхности мата, где происходит самый интенсивный обмен веществами и энергией с окружающей средой. Однако суточная смена одних бактерий другими происходит далеко не моментально, занимая несколько часов.

В результате у цианобактерий остается на «работу» не так много времени. Но чем продолжительнее сутки, тем его больше. Чтобы проверить эту гипотезу, ученые использовали данные с датчиков, установленных в провале Миддл-Айленд, а также провели эксперименты с образцами бактерий, привезенными в лабораторию. На этой основе была получена модель, которая показала зависимость выделения кислорода от частоты смены светлых и темных периодов.

Казалось бы, двое суток по 12 часов — то же, что одни сутки в 24 часа; однако с точки зрения фотосинтеза они далеко не равны. Ограничения, связанные с медленным перемещением микробов и диффузией молекул сквозь бактериальный мат, приводят к тому, что цианобактериям нужно заметное время на то, чтобы «раскочегариться» и запустить эти процессы в полную силу. Поэтому удлинение светлого времени может резко усилить эффективность их работы — что, видимо, и произошло в эпоху кислородной революции.