Цивилизация
Повышение уровня кислорода в начале земной истории послужило основным фактором, открывшим путь к впечатляющему разнообразию живых существ. На протяжении многих десятилетий биологи и геологи пытаются выяснить, каким именно образом протекал этот процесс длительностью почти 2 млрд лет, почему он был не постепенным, а ступенчатым.
Теперь международная исследовательская группа, руководимая немецкими учеными Джудит Клатт из германского Института морской микробиологии Общества Макса Планка — бывшим постдоком из Мичиганского университета в США — и Арджун Ченну из Центра тропических морских исследований имени Лейбница, изучила связь между скоростью вращения нашей планеты вокруг своей оси, определяющей продолжительность светового дня, и производством дополнительного кислорода цианобактериальными матами, ответственными за формирование кислородной атмосферы на древней Земле. Статья об этом опубликована в журнале Nature Geoscience.
Подобные цианобактериальные маты, покрывающие дно неглубокой, освещаемой солнцем затопленной котловины на озере Гурон на границе США и Канады, позволили прийти к удивительному выводу: по мере замедления вращения Земли фотосинтез становился все более эффективным.
4 млрд лет назад, когда жизнь только зарождалась, Земля выглядела совершенно иначе. Ее покрывали обширные моря, где на мелководьях обитали исключительно одноклеточные анаэробные микроорганизмы — не нуждавшиеся в кислороде. В основном это были предки цианобактерий, которые могли образовывать протяженные маты на скальных поверхностях. Раньше их еще называли сине-зелеными водорослями. В современных условиях эти «водоросли» имеют скверную репутацию: так называемое цветение водорослей грозит бедой, оно смертельно опасно для рыб и других водных организмов.
Цианобактерии одними из первых освоили фотосинтез, что позволило им получать из углекислого газа и воды сахар для питания и «лишний» кислород. Уже давно установлено, что именно эти микробы и обеспечили Землю первоначальным запасом кислорода, на протяжении ряда геологических эпох создав среду, благоприятную для развитию аэробной — нуждающейся в кислороде — жизни во всех ее формах. Однако биологи все еще ломают голову над тем, почему появление первых фотосинтезирующих микроорганизмов, которые согласно изученным окаменелостям датируют примерно 3,5 млрд лет, и насыщение всей атмосферы кислородом отделяет примерно миллиард лет.
Впрочем, еще один кусок складывающегося паззла был известен от астрономов и геофизиков. Путем моделирования взаимодействия Луны с Землей и возникающих при этом атмосферных и океанических приливов, ученые выяснили, что молодая Земля вращалась вокруг своей оси намного быстрее, чем сегодня. Согласно современным данным, 4,5 млрд лет назад день длился всего 6 часов. Опять же моделирование дает, что примерно 2,4 млрд лет назад взаимодействие с Луной замедлило вращение Земли примерно до 21 часа в сутки, а сама Луна при этом стала от нас гораздо дальше. Затем скорость вращения Земли оставалась почти постоянной на протяжении примерно миллиарда лет, пока не нарушился установившийся резонанс. Очередные изменения произошли около 700 млн лет назад, когда вращение планеты замедлилось до текущей скорости и получился знакомый нам 24-часовой день.
В 2016 году биогеохимик Джудит Клатт предположила, что замедление скорости вращения Земли может соответствовать большим скачкам в концентрации атмосферного кислорода. Так, количество кислорода благодаря самым первым фотосинтезирующим цианобактериям первоначально резко прибавилось во время так называемой кислородной катастрофы, или кислородной революции, Великого кислородного события, произошедшего примерно 2,4 млрд лет назад. Очередной скачок пришелся на времена неопротерозойской эры, более миллиарда лет спустя. Финальный скачок содержания кислорода в атмосфере случился во время палеозоя, около 400 млн лет назад. Все это и привело к появлению многоклеточных животных, дышащих кислородом. В наше время концентрация кислорода в атмосфере составляет около 21%.
Клатт изучала микробные маты, растущие на отложениях в котловине, расположенной возле острова Мидл-Айлен на озере Гурон. Там достаточно мелко для того, чтобы цианобактерии на дне получали достаточное количество солнечного света для фотосинтеза. Обедненная кислородом вода и сернистый газ, поднимающийся со дна озера от сероокисляющих бактерий, которые используют серу вместо солнечного света в качестве основного источника энергии, создают бескислородные условия, которые примерно и соответствуют условиям ранней Земли.
Аквалангисты собирали образцы микробных матов, а в лаборатории Клатт отслеживала количество выделяемого ими кислорода при различной продолжительности светового дня, моделируемой с помощью галогенных ламп. Чем дольше эти «коврики» оставались на свету, тем больше газа они в результате выделяли.
Затем Клатт и Арджун Ченну, специалист по математическому моделированию из Центра тропических морских исследований имени Лейбница, создали численную модель, чтобы рассчитать, сколько кислорода древние цианобактерии могли произвести в глобальном масштабе. Когда результаты по цианобактериальным матам и другие данные были загружены в компьютерную программу, удалось выявить то самое ключевое соответствие между увеличением светового для и выработкой кислорода.
Обычно микробные маты «вдыхают» ночью почти столько же кислорода, сколько производят днем. Но когда вращение Земли замедлилось, дополнительные часы дневного света позволили цианобактериальным матам накапливать излишки, выделяя кислород в воду. В результате график концентрации атмосферного кислорода последовал за предполагаемой продолжительностью дня на протяжении разных эпох: оба поднимались ступенчато с длинными плато.
«Повышение уровня кислорода на Земле, несомненно, самое существенное изменение окружающей среды в истории нашей планеты, — говорит Вудвард Фишер, геобиолог из Калифорнийского технологического института. — И это исследование освещает совершенно новую сторону проблемы. Это установление связи между разными явлениями, на которую раньше не обратили внимания».
Эта «элегантная идея» помогает объяснить, почему кислород не накапливался в атмосфере сразу после появления цианобактерий 3,5 млрд лет назад, поясняет Тимоти Лайонс, биогеохимик из Калифорнийского университета в Риверсайде. Поскольку в то время продолжительность дня была еще слишком короткой, у кислорода в цианобактериальных матах не было возможности накапливаться в достаточных количествах, чтобы диффундировать наружу. «Длинный день просто позволяет большему количеству кислорода уходить в вышележащие воды и в конечном итоге в атмосферу», — говорит Лайонс.
«Более короткий день не позволяет большому количеству кислорода улетучиваться из мата, даже если в час вырабатывается такое же количество кислорода», — пояснила сама Клатт в интервью Live Science.
Тем не менее и Лайонс, и другие ученые указывают на то, что увеличению концентрации кислорода в древней атмосфере способствовали, вероятно, и другие факторы. Такими факторами могли стать, например, цианобактерии, свободно плававшие на поверхности воды, а не только прикрепленные к скальным матам. Бенджамин Миллс, специалист по математическому моделированию из Лидсского университета в Великобритании, считает, что выделение древними вулканами соединений, связывающих кислород, вероятно, временами противодействовало раннему накоплению газа, и это тоже следует учитывать при расчетах. Но и изменение продолжительности светового дня «следует рассмотреть более детально», уверен он, обещая добавить это в свои модели.