Почему на Земле так много кислорода? Ученые «винят» Луну и микробов

В самом начале наша планета почти не содержала кислорода, но затем его уровень  резко вырос примерно до нескольких процентов от нынешнего количества. Это случилось около двух миллиардов лет назад — эпизод, получивший название Великого кислородного события.

Затем уровень кислорода выровнялся и держался в одном диапазоне в течение длительного периода времени, который ученые называют Скучным миллиардом, прежде чем произошло еще одно резкое повышение его количества. 

Кого мы можем благодарить за воздух, пригодный для дыхания? Биологи считают, что заслуга должна быть отдана фотосинтезирующим микробам, которые выделяют кислород, производя энергию из солнечного света. 

Вот только время событий не совпадало. Такие микробы эволюционировали задолго до того, как произошел первый скачок уровня кислорода, и неясно, что могло их замедлить во время Скучного миллиарда.

Теперь немецкие ученые из Института морской микробиологии Макса Планка выявили закономерность: с повышением уровня кислорода дни на Земле становились все длиннее. 

В начале своего существования Земля совершала полный оборот примерно за каждые шесть часов . Но затем вращение постепенно замедлилось из-за силы тяжести Луны и приливного трения, а дни стали длиннее.

Но это постепенное замедление не было постоянным. Одна из теорий утверждает, что два типа приливов, — одни в океане, а другие в атмосфере, — могли противостоять и нейтрализовать друг друга, удерживая протяженность дня около 21 часа в течение примерно миллиарда лет (период Скучного миллиарда).

Ученые решили выяснить, как микробы той эпохи могли отреагировать на более длительные дни. Важно отметить, что производство кислорода зависело от того, насколько быстро меняется дневной свет. Когда Земля вращалась слишком быстро, цианобактерии не могли достичь максимальной выработки кислорода до наступления сумерек. Но поскольку суточное вращение Земли замедлилось, они смогли полностью реализовать свой потенциал в производстве кислорода.  

Ученые отметили, что этот очень незначительный эффект, работающий каждый солнечный день в течение миллионов лет, мог произвести изменения, которые теперь имеют глобальное значение.

Чтобы проверить свою теорию, исследователи извлекли образцы микробных матов (многослойных микробных сообществ) из озера Гурон. Это были сложные колонии со многими типами микробов, в том числе теми, которые конкурируют с цианобактериями за поглощение солнечных лучей.

Когда исследователи смоделировали продолжительность дня в 12, 16, 21 и 24 часа с использованием искусственного света, выяснилось, что бактерии выделяли больше всего кислорода в самые длинные дни — и даже больше, чем предсказывала первоначальная модель.

Авторы работы отмечают, что их выводы основаны на нескольких предположениях. Например, согласно летописи окаменелостей, микробных матов должно было быть очень много. Но знания исследователей о скорости вращения Земли и содержании кислорода в далеком прошлом также довольно нечеткие.

Если пауза в замедлении вращения Земли действительно совпадает со Скучным миллиардом, их теория отвечает на все остальные вопросы. Более длинные дни приводили к увеличению количества кислорода, пока цианобактерии не смогли преодолеть естественную способность Земли поглощать кислород, что вызвало Великое кислородное событие. Затем вращение стабилизировалось (Скучный миллиард) и, наконец, дни снова стали удлиняться и уровень кислорода повысился. 

Ученые ждут, что лунные камни, которые будут извлечены в будущих миссиях, могут содержать более подробную информацию о том, как Луна замедляла Землю во время приливов с течением времени. Она может пролить свет на связь между вращением планеты и количеством воздуха, которым мы дышим.