На протяжении почти двух миллиардов лет Земля медленно насыщалась кислородом, создавая условия для появления сложной жизни. Учёные десятилетиями пытались понять, что именно определяло темпы этого глобального процесса. И вот — новая гипотеза: продолжительность дня, увеличивавшаяся по мере замедления вращения Земли, могла сыграть ключевую роль в оксигенации планеты.
Цианобактерии, свет и вращение планеты
Международная команда исследователей из Мичиганского университета установила, что более длинные дни на древней Земле способствовали увеличению объёмов кислорода, производимого фотосинтетическими микроорганизмами — цианобактериями. Эти микробы, обитающие миллиарды лет назад в морях и на поверхности суши, были первыми, кто научился использовать солнечный свет для фотосинтеза, выделяя кислород как побочный продукт. Они заложили основу для последующего появления многоклеточных животных.
Современные аналоги этих организмов были найдены в уникальной экосистеме на дне ямы озера Гурон, где условия близки к древним: вода бедна кислородом, но насыщена серой. Исследователи изучили поведение микробных сообществ, живущих там на глубине 25 метров, и выяснили, что с удлинением дня количество производимого ими кислорода возрастает.
От шестичасового дня к двадцати четырём
Сейчас продолжительность суток составляет 24 часа, но в начале истории Земли день длился всего около шести часов. По мере того как вращение планеты замедлялось — в основном из-за гравитационного взаимодействия с Луной — дни становились длиннее. Учёные смоделировали этот процесс и пришли к выводу, что увеличение продолжительности светового периода позволяло цианобактериям более эффективно использовать фотосинтез, что вело к повышению концентрации кислорода.
«Наше исследование показывает, что скорость вращения Земли — или продолжительность дня — могла значительно повлиять на темпы оксигенации», — говорит профессор Грегори Дик, геомикробиолог и один из авторов исследования.
Оксигенация: два поворотных момента
На протяжении большей части геологической истории Земли в атмосфере было крайне мало кислорода. Его концентрация возрастала неравномерно, с двумя крупными скачками. Первый — Великое окислительное событие, произошёл около 2,4 миллиарда лет назад. Оно связано с деятельностью древнейших цианобактерий. Второй — так называемое неопротерозойское событие оксигенации, случившееся примерно 600 миллионов лет назад, незадолго до стремительного расцвета многоклеточной жизни в эпоху кембрийского взрыва.
Именно к этим событиям исследователи и привязывают влияние увеличивающейся продолжительности дня: чем больше времени у микробов было на фотосинтез, тем активнее шел процесс накопления кислорода в атмосфере.
Озеро Гурон — окно в прошлое
Озеро Гурон, где проводились наблюдения, представляет собой уникальную природную лабораторию. Его дно расположено над древними слоями из известняка, гипса и доломита, сформировавшимися в эпоху, когда континент был покрыт солеными морями. Под действием грунтовых вод эти породы образовали обширную сеть подземных полостей и провалов, создав необычные условия для микробных сообществ. Учёные, совместно с дайверами из Национального морского заповедника Тандер-Бей, установили в этих зонах измерительные приборы, а затем перенесли образцы в лаборатории для более детального изучения.
Последствия для понимания происхождения жизни
Это исследование даёт нам новый ключ к пониманию того, как физические параметры планеты могут оказывать влияние на биосферу. Не только химический состав океанов и атмосферы, но и суточный ритм — сам темп вращения Земли — могли стать определяющим фактором в эволюции жизни.
Теперь становится яснее, почему на насыщение атмосферы кислородом ушло почти два миллиарда лет, и как кажущееся незначительным изменение во времени суток могло радикально изменить условия для всего живого. Этот процесс был медленным, но необратимым — и именно он подготовил Землю к тому, чтобы стать домом для животных, растений и, в конечном итоге, для нас.