Як сповільнення обертання Землі сприяло формуванню кисню в атмосфері.

Обертання Землі поступово сповільнюється з моменту її утворення близько 4,5 мільярда років тому, і саме це уповільнення могло відіграти ключову роль у появі кисню в атмосфері.

Цю інформацію надає Science Alert.

Хоча зміни відбуваються надто повільно, щоб їх можна було помітити за життя людини, протягом геологічних епох уповільнення обертання призвело до подовження дня. Це, своєю чергою, могло створити умови для масового розмноження ціанобактерій -- синьо-зелених водоростей, які близько 2,4 мільярда років тому почали виробляти кисень у великих кількостях як побічний продукт фотосинтезу.

"Одне з ключових питань у геонауках полягає в тому, як і чому наша атмосфера наповнилася киснем", -- підкреслив мікробіолог Грегорі Дік з університету Мічигану. "Наше дослідження виявило, що тривалість доби на Землі могла суттєво впливати на процеси оксигенації атмосфери".

Дві значні події в історії нашої планети тісно пов'язані між собою. Перша з них – це поступове уповільнення обертання Землі, яке викликане гравітаційним впливом віддаляючогося Місяця. Вчені оцінюють, що приблизно 1,4 мільярда років тому тривалість доби на Землі становила лише 18 годин, а ще 70 мільйонів років тому вона була на півгодини коротшою, ніж сьогодні. В наш час тривалість доби збільшується приблизно на 1,8 мілісекунди за кожне століття.

Наступна важлива подія — це Велика окислювальна подія, в ході якої ціанобактерії суттєво трансформували атмосферний склад, значно збільшивши концентрацію кисню. Ця кардинальна зміна створила умови для виникнення складних форм життя на Землі.

Для глибшого розуміння цього явища, науковці провели дослідження сучасних представників давніх ціанобактерій в карстовій вирві Мідл-Айленд, розташованій в озері Гурон. У мікробних матах цього регіону спостерігається конкуренція між пурпурними ціанобактеріями, які здатні виробляти кисень, і білими мікробами, що метаболізують сірку. Це дозволяє вченим моделювати стародавні процеси, які, ймовірно, вплинули на еволюційний розвиток життя на нашій планеті.

Вночі білі мікроби піднімаються на поверхню мікробного шару й починають активно споживати сірку. Коли ж Сонце сходить і піднімається досить високо, білі бактерії відступають углиб, а на поверхню виходять пурпурові ціанобактерії.

"Тепер вони можуть розпочати фотосинтез і виробляти кисень", -- пояснила геомікробіолог Джудіт Клатт з Інституту морської мікробіології Товариства Макса Планка (Німеччина).

Однак, за її словами, після сходу сонця проходить ще декілька годин, перш ніж ціанобактерії почнуть активно функціонувати — наче вони більше "пізні пташки", аніж "жайворонки". Це суттєво зменшує тривалість часу, протягом якого ці бактерії можуть виробляти кисень протягом доби.

Саме цей короткий часовий відрізок привернув увагу океанографа Брайана Арбіка з Мічиганського університету, який зацікавився питанням: чи могло збільшення тривалості дня на ранній Землі вплинути на підвищення виробництва кисню?

"Можливо, конкуренція між мікроорганізмами і справді затримувала збагачення атмосфери киснем у давні часи", -- пояснила Клатт.

Для підтвердження цієї гіпотези дослідники реалізували серію експериментів та вимірювань як у природному середовищі, так і в контрольованих лабораторних умовах. Крім того, вони розробили складні комп'ютерні моделі, які допомогли проаналізувати взаємозв'язок між тривалістю дня, інтенсивністю сонячного світла та процесом виробництва кисню.

"З першого погляду може здатися, що два дні по 12 годин нічим не відрізняються від одного цілого 24-годинного періоду. Сонце піднімається і заходить швидше, а процес виробництва кисню повинен просто відповідати цьому ритму," -- зазначив океанограф Арджун Ченну з Центру тропічних морських досліджень імені Лейбніца.

Однак реальність складніша: вироблення кисню обмежується швидкістю молекулярної дифузії, тому час активного фотосинтезу має критичне значення.

Об'єднавши ці результати з глобальними моделями розвитку планети, дослідники виявили, що подовження тривалості доби дійсно супроводжувалося зростанням рівня кисню в атмосфері. Це явище стосувалося не лише Великої окислювальної події, що відбулася 2,4 мільярда років тому, але й етапу оксигенації в неопротерозої, що тривав приблизно 550-800 мільйонів років тому.

"Ми пов'язали закони фізики на різних рівнях -- від молекулярної дифузії до планетарної механіки. І показали: тривалість земного дня прямо впливає на обсяг кисню, який виробляють мікроби", -- підкреслив Ченну.

"Це дійсно вражає. Ми поєднуємо танець молекул у мікробних матах із танцем Землі навколо своєї осі та орбіти Місяця".