Длительные дни на ранней Земле могли стать основой для сложной жизни

Национальный морской заповедник Тандер-Бей

Дайверы собрали образцы этих красочных микробных ковриков, чтобы понять их роль в насыщении Земли кислородом.

Кислород питает большую часть жизни на Земле сегодня, но так было не всегда. Три миллиарда лет назад этого газа не хватало в атмосфере и океанах. Знание того, почему было так много кислорода, могло бы пролить свет на эволюцию флоры и фауны нашей планеты, но ученые изо всех сил пытались найти объяснение, которое удовлетворило бы всех. Исследовательская группа предложила новую связь между скоростью вращения нашей планеты вокруг своей оси, которая определяет продолжительность дня, и производством дополнительного кислорода в древние времена. Их моделирование ранних дней Земли, включающее свидетельства микробных поселений, покрывающих дно неглубокой, залитой солнцем воронки в озере Гурон, привело к удивительному выводу: поскольку вращение Земли замедлилось в результате, более длинные дни могли вызвать больше фотосинтеза из подобных микробных поселений.

Предложение, описанное сегодня в журнале Nature Geoscience, заинтриговало некоторых ученых. “Повышение уровня кислорода на Земле, несомненно, является самым значительным изменением окружающей среды в истории нашей планеты”, – говорит Вудворд Фишер, геобиолог из Калифорнийского технологического института, который не принимал участия в работе. Это исследование предлагает совершенно новую идею. Речь идет о том, чтобы установить связь, которую люди раньше не предполагали.

Земля была совсем другой, когда жизнь началась около 4 миллиардов лет назад, с огромными мелководными морями, единственными живыми одноклеточные существами. Многие из этих ранних микробов были цианобактериями, которые могли образовывать поселения на отложениях и поверхности скал и сегодня иногда вызывают цветение водорослей, смертельное для рыб и других водных животных. Микробы, эволюционировавшие в цианобактерии, рано развили молекулярный механизм фотосинтеза, позволяющий им превращать углекислый газ и воду в сахара и кислород. Исследователи долгое время считали, что эти микробы обеспечили Землю первоначальным запасом кислорода, создав среду, благоприятную для развития аэробной жизни во всех ее формах на протяжении многих эпох. Но они всегда ломали голову над тем, почему прошло около миллиарда лет между первыми фотосинтетическими микробами, которые, как показывают окаменелости, возникли около 3,5 миллиардов лет назад.

Исследователи уже знали, моделируя расстояние Луны от Земли и возникающие в результате атмосферные и океанические приливы, что молодая Земля вращалась вокруг своей оси гораздо быстрее, чем сегодня. Многие сходятся во мнении, что 4,5 миллиарда лет назад сутки длились всего около 6 часов. Моделирования предсказывают, что около 2,4 миллиарда лет назад гравитация Луны замедлила это вращение примерно до 21 часа в сутки. Затем скорость вращения Земли оставалась постоянной в течение примерно миллиарда лет, поскольку ее гравитационное притяжение противостояло сопротивлению Луны. Эти силы вышли из равновесия около 700 миллионов лет назад, потому что цикл резонанса между Землей и Луной не является полностью стабильным, и вращение планеты замедлилось до ее текущей скорости, создавая 24-часовой день, согласно моделям.

В 2016 году, после случайной догадки, Джудит Клатт, биогеохимик, ныне работающая в Институте морской микробиологии Макса Планка, обнаружила, что замедление скорости вращения Земли отражает большие скачки содержания кислорода в атмосфере. Например, кислород впервые подскочил во время так называемого Великого события насыщения кислородом, около 2,4 миллиарда лет назад, а затем снова во время неопротерозойской эры, более миллиарда лет спустя. Во время палеозоя, около 400 миллионов лет назад, произошло окончательное значительное увеличение содержания кислорода в атмосфере.

Будучи постдоком в Мичиганском университете в Энн-Арборе, Клатт изучал микробные образования, растущие на отложениях в бассейне Среднего острова в озере Гурон. Там вода достаточно мелкая, чтобы цианобактерии получали достаточно солнечного света для фотосинтеза. Истощенная кислородом вода и двуокись серы поднимаются со дна озера, создавая кислородные условия, которые примерно соответствуют условиям ранней Земли.

Аквалангисты собрали образцы микробов, и в лаборатории Клатт контролировал количество кислорода, выделяемого ими в течение различных дней, имитируя его с помощью галогенных ламп. Чем дольше они подвергаются воздействию света, тем больше газа выделяют микробы.

Взволнованные Клатт и Арджун Ченну из Центра тропических морских исследований Лейбница, создали численную модель для расчета того, сколько кислорода древние цианобактерии могли производить в глобальном масштабе. Когда результаты микробных образований и другие данные были загружены в эту компьютерную программу, они выявили ключевое взаимодействие между воздействием света и микробными поселениями.

Как правило, микробы “вдыхают” ночью почти столько же кислорода, сколько они производят днем. Но когда вращение Земли замедлилось, дополнительные часы непрерывного дневного света позволили моделируемым производителям кислорода накапливать избыток, выделяя кислород в воду. В результате атмосферный кислород отслеживал предполагаемую продолжительность дня в течение эонов, и то и другое поднималось ступенчато с длинным плато.

Повышался ли уровень кислорода в более продолжительные дни на Земле?

Модели предполагают, что количество кислорода на Земле постепенно увеличивалось со времени Великого события насыщения кислородом (GOE) около 2,4 миллиарда лет назад, за которым последовало плато в течение “скучного миллиарда” лет. Кислород снова поднялся во время неопротерозойской оксигенации и палеозойского окисления (POE). Продолжительность дня увеличивалась таким же поэтапным образом, что говорит о том, что добавленный свет усиливал фотосинтезирующие микробы, подпитывая увеличение количества кислорода.

Фотосинтетические бактерии в провале Великих озер дают ключевые подсказки о древней атмосфере

Эта идея помогает объяснить, почему кислород не накапливался в атмосфере сразу после появления цианобактерий 3,5 миллиарда лет назад, говорит Тимоти Лайонс, биогеохимик из Калифорнийского университета в Риверсайде. Поскольку продолжительность дня в то время была еще такой короткой, кислород в микробных образованиях никогда не имел возможности накопиться в достаточном количестве для диффузии. “Долгий день просто позволяет большему количеству кислорода проникать в вышележащие слои воды и, в конечном счете, в атмосферу”, – говорит Лайонс.

Однако Лайонс и другие говорят, что многие факторы, вероятно, способствовали увеличению содержания кислорода. Например, Фишер подозревает, что свободно плавающие цианобактерии, а не просто цианобактерии, прикрепленные к каменным поверхностям, были крупными игроками. Бенджамин Миллс, специалист по моделированию земной системы в Университете Лидса, считает, что выброс связывающих кислород минералов из древних вулканов, вероятно, иногда противодействовал раннему накоплению газа и должен учитываться при расчете кислорода.

Однако изменение светового дня “необходимо рассмотреть более подробно”, – говорит он. “Я постараюсь добавить это к нашим моделям земной системы.”

Элизабет Пенниси

Лиз – старший корреспондент, освещающий многие аспекты биологии журнала Science.

Читайте также: