Вращение Земли замедляется — и благодаря этому мы живы, говорят ученые
Наш мир полон удивительных взаимосвязей, многие из которых остаются скрытыми от поверхностного взгляда. Мы привыкли к смене дня и ночи, к составу атмосферы, которым дышим, не задумываясь о том, какие грандиозные процессы сформировали эти привычные нам условия.
Что если продолжительность земных суток, явление, кажущееся нам незыблемым, на самом деле медленно меняется на протяжении миллиардов лет? И что если это изменение имело решающее значение для появления кислорода в атмосфере и, как следствие, для развития сложной жизни?
Кислород на Земле
Вопрос о том, как атмосфера Земли насытилась кислородом, является одним из фундаментальных в науках о Земле. Известно, что на заре своего существования наша планета имела совершенно иной газовый состав. Появление кислорода стало поворотным моментом в истории жизни, но какие факторы контролировали время этого события?
Ученые давно ищут ответы, рассматривая различные геологические и биологические процессы. Недавнее исследование предлагает взглянуть на эту проблему под неожиданным углом, связывая ее с астрономическим явлением.
Представьте себе, что ритм нашей планеты, ее вращение вокруг своей оси, не всегда был таким, как сегодня. Миллиарды лет назад сутки были значительно короче. Это не просто любопытный факт из прошлого Земли; это обстоятельство могло напрямую влиять на биологические процессы, происходящие на ее поверхности. Но каким образом длина дня могла повлиять на состав атмосферы? И кто был главным «производителем» кислорода в те далекие времена?
Сколько раньше длились сутки на Земле?
С момента своего формирования около 4,5 миллиардов лет назад вращение Земли постепенно замедляется. Основная причина этого — гравитационное воздействие Луны, которая медленно удаляется от нашей планеты, «отбирая» у нее часть вращательного момента. Хотя это замедление незаметно в масштабах человеческой жизни (мы «приобретаем» всего 1,8 миллисекунды за столетие), за геологические эпохи оно привело к значительным изменениям. Например, 1,4 миллиарда лет назад сутки на Земле длились всего 18 часов, а 70 миллионов лет назад они были на полчаса короче, чем сегодня.
Ключевыми игроками в процессе насыщения атмосферы кислородом стали цианобактерии, также известные как сине-зеленые водоросли. Эти микроорганизмы, появившиеся и начавшие активно размножаться около 2,4 миллиарда лет назад, способны к фотосинтезу — процессу, при котором выделяется кислород. Именно их деятельность привела к так называемому Великому кислородному событию, когда содержание кислорода в атмосфере резко возросло. Без этого события, как считают ученые, возникновение сложных форм жизни, включая человека, было бы невозможно.
При чем тут кислород?
Исследование, опубликованное в 2021 году, предполагает прямую связь между увеличением продолжительности земных суток и эффективностью производства кислорода цианобактериями. Ученые изучали микробные маты в карстовой воронке Мидл-Айленд на озере Гурон, которые считаются аналогом древних цианобактериальных сообществ.
В этих матах пурпурные цианобактерии, производящие кислород, конкурируют с белыми микробами, метаболизирующими серу. Ночью доминируют «серные» микробы. С восходом солнца цианобактерии начинают фотосинтез, но, как выяснилось, им требуется несколько часов, чтобы «разогнаться».
Этот «утренний лаг» означает, что при коротких сутках окно для эффективного производства кислорода было очень узким. По мере того как дни становились длиннее из-за замедления вращения Земли, у цианобактерий появлялось больше времени для фотосинтеза.
Важно и то, что выделение кислорода из бактериальных матов ограничено скоростью молекулярной диффузии. При более длинных световых периодах этот процесс становится более эффективным, позволяя большему количеству кислорода попадать в атмосферу, а не потребляться другими микробами внутри мата.
Моделирование, основанное на этих экспериментальных данных, показало, что удлинение суток действительно связано с увеличением уровня кислорода в атмосфере Земли. Эта связь объясняет не только Великое кислородное событие, но и второе значительное повышение уровня кислорода — Неопротерозойское кислородное событие, произошедшее примерно 550-800 миллионов лет назад.
Таким образом, «танец» нашей планеты и ее спутника Луны через изменение длины дня напрямую повлиял на «танец молекул» в микробных матах, что в конечном итоге создало условия для дыхания кислородом. Это открытие подчеркивает глубокую взаимосвязь между планетарными механиками и эволюцией жизни.
