Кислород атмосферы и вращение Земли
Биологи напрямую связывают расцвет жизни на Земле с ростом среднего содержания кислорода в ее атмосфере, доля которого сегодня равна 21%. Однако до сих пор нет единого мнения о его происхождении. Неясны и факторы, благодаря которым его концентрация непрерывно повышается вот уже несколько миллиардов лет. Многие ученые видят причину в деятельности фотосинтезирующих бактерий, которые дали резкий скачок концентрации О2 2,4 и 2 млрд. лет назад. Но вполне возможны и абиогенные механизмы, например — извержения вулканов.
Международная группа под руководством докторов Юдит Клатт из Института морской микробиологии им. Макса Планка и Арджуна Ченну из Центра тропических морских исследований общества Лейбница, выдвинула и обосновала новое предположение: насыщение атмосферы кислородом напрямую связано с замедлением скорости вращения планеты.
Земля замедляется под действием тяготения медленно удаляющейся от нас Луны. В результате сутки сейчас вчетверо длиннее, чем 4,6 млрд. лет назад. Как показано в статье, из-за увеличения продолжительности дня растет и продукция кислорода фотосинтезирующими цианобактериями, составляющими бентос толщи океанов, морей и озер. Эти синезеленые водоросли, хорошо знакомые нам по цветущим прудам, были первыми организмами, которые использовали фотосинтез для получения энергии с выделением кислорода как побочного продукта. Миллиарды лет назад они формировали маты, которые сплошь покрывали поверхность моря и суши.
Ученые экспериментально изучили микробные сообщества озера Гурон, одного из пяти Великих озер. В нем на глубинах в несколько десятков метров вода насыщена соединениями серы и обеднена кислородом. Там бурно размножаются симбиотические колонии бактерий, аналогичных древним создателям бактериальных матов Земли. В озере Гурон фотосинтезирующие цианобактерии существуют в симбиозе с белыми бактериями, которым не нужен свет, так как они вырабатывают энергию при окислении серы.
Ночью, на рассвете и закате белые бактерии покрывают цианобактерии и препятствуют фотосинтезу. При увеличении интенсивности солнечного света выше некоторой пороговой величины белые бактерии опускаются под слой зеленых. Смена мест под Солнцем происходит два раза в сутки. В короткие дни белые бактерии находятся на поверхности относительно большую часть суток, поэтому удлинение светового дня увеличивает среднее время фотосинтеза.
Гипотезу проверили на опыте. Ученые перенесли бактериальные маты из озера в лабораторию и изучили потоки разных растворов в матах при вариациях освещенности. Оказалось, что свет действительно регулирует метаболизм двух колоний бактерий. При этом количество захороненного матами углерода, а значит, и выделенного кислорода растет с относительной продолжительностью светлого времени суток.
(Nature Geoscience, 2021,14, 564, полный текст)