З моменту утворення планети Земля близько 4,5 мільярдів років тому обертання нашої планети поступово сповільнювалось. Це призвело до того, що дні ставали все довшими. І хоча в масштабах людського життя ці зміни непомітні, останні дані вказують, що вони зазнавали істотних змін.
Як пише видання Live Science, дослідження 2021 року показує, що подовження днів має зв’язок зі зміною рівня насиченості атмосфери Землі киснем. Близько 2,4 млрд років тому на нашій планеті з’явились і розмножились синьо-зелені водорості (або ціанобактерії). Вони почали виробляти кисень, як продукт свого метаболізму. У процесі того, як дні ставали довшими, вони випускали все більше цієї речовини в атмосферу.
“У науках про Землю завжди було питання про те, як атмосфера Землі отримувала кисень, і які фактори контролювали, коли відбувалася ця оксигенація”, – пояснив мікробіолог Грегорі Дік з університету Мічігану в 2021 році. І додав, що останні отримані дані показують, що швидкість обертання Землі, тобто тривалість дня на планеті могла вплинути на характер і час її оксигенації.
У цій історії є два основні компоненти, які, на перший погляд, не мають нічого спільного. Перший у тому, що обертання Землі уповільнюється. Причина уповільнення обертання Землі полягає в тому, що Місяць справляє гравітаційне тяжіння на планету, що спричиняє уповільнення обертання через поступове віддалення природного супутника.
Наявні у дослідників дані показують, що 1,4 мільярда років тому дні тривали лише 18 годин, а от 70 мільйонів років тому доба була лише на 30 хвилин коротшою, ніж зараз. Підрахунки показують, що ми виграємо 1,8 мілісекунди за сторіччя.
Другий компонент – це те, що в науці відоме як Велика окислювальна подія. У цей момент ціанобактерії з’явилися в таких великих кількостях, що атмосфера Землі зазнала різкого, значного зростання кисню. Вчені вважають, що без цього окислення життя, яке ми його знаємо, не могло б виникнути. Втім, ми ще багато чого не знаємо про цю подію. Зокрема не зрозуміло, чому це сталось саме в той момент, коли сталось, а не у більш ранній період існування Землі.
Щоб зв’язати всі точки, знадобилися вчені, які досліджують ціанобактерії. У карстовій вирві Мідл-Айленд в озері Гурон можна знайти мікробні мати, які, як вважають, є аналогом ціанобактерій, відповідальних за Велику окислювальну подію.
Фіолетові ціанобактерії, які виробляють кисень за допомогою фотосинтезу, та білі мікроби, що метаболізують сірку, конкурують у мікробному маті на дні озера. Вночі білі мікроби піднімаються вгору мікробного мата і починають поглинати сірку. Коли настає день, і Сонце піднімається досить високо на небі, білі мікроби відступають, а фіолетові ціанобактерії піднімаються нагору. За словами геомікробіолога Джудіт Клатт з Інституту морської мікробіології Макса Планка в Німеччині, у цей момент вони приступають до фотосинтезу та вироблення кисню. “Однак минає кілька годин, перш ніж вони справді почнуть працювати, зранку спостерігається велика затримка. Схоже, ціанобактерії скоріше пізні пташки, ніж жайворонки”, – додала дослідниця.
Це означає, що часове вікно, в яке ціанобактерії можуть виробляти кисень, дуже обмежене — і саме цей факт привернув увагу океанографа Брайана Арбіка з університету Мічігану. Він поставив питання, чи вплинула зміна тривалості дня протягом історії Землі на фотосинтез. “Можливо, що аналогічний тип конкуренції між мікробами сприяв затримці вироблення кисню на ранній Землі”, – пояснила Клатт.
Щоб продемонструвати цю гіпотезу, команда провела експерименти та вимірювання на мікробах як у їхньому природному середовищі, так і в лабораторних умовах. Вони також провели докладні модельні дослідження на основі своїх результатів, щоб пов’язати сонячне світло з виробленням мікробного кисню, а також вироблення мікробного кисню з історією Землі.
“Інтуїція підказує, що два 12-годинні дні мають бути схожі на один 24-годинний день. Сонячне світло піднімається і опускається вдвічі швидше, а вироблення кисню слідує за ними”, — пояснив морський вчений Арджун Ченну з Центру тропічних морських досліджень Лейбніца в Німеччині. Але виділення кисню з бактеріальних матів не відбувається, тому що воно обмежене швидкістю молекулярної дифузії. “Цей тонкий поділ виділення кисню із сонячного світла є основою механізму”, – додав він.
Ці результати були включені до глобальних моделей рівнів кисню, і команда виявила, що подовження дня було пов’язане зі збільшенням кисню на Землі — не тільки з Великою подією окислення, але й з іншим, другим насиченням атмосфери киснем, званим Неопротерозойською подією оксигенації, яка трапилась у період між 550 та 800 мільйонами років тому.
“Ми пов’язуємо воєдино закони фізики, що діють у різних масштабах, від молекулярної дифузії до планетарної механіки. Ми показуємо, що є фундаментальний зв’язок між тривалістю дня і тим, скільки кисню можуть виділяти наземні мікроби”, — сказав Ченну. “Це досить захоплююче. Таким чином ми пов’язуємо танець молекул у мікробному маті з танцем нашої планети та її Місяця”, – додав він.