Какие-то малявки, которых невозможно увидеть невооружённым глазом, сыграли важную роль в появлении сложной жизни на Земле, согласно новой статье на Science.
Когда появились первые бактерии, длительность дня составляла всего 6 часов: молодая Земля слишком быстро вращалась. Бактериям не хватало времени, чтоб выработать достаточно кислорода для появления более сложных форм жизни вроде нас.
Земля была абсолютно другой, когда 4 миллиарда лет назад на ней появилась первая жизнь. Тогда на планете были огромные мелководные моря, в которых жили только одноклеточные организмы. Большинство микроорганизмов было цианобактериями, которые и сформировали осадочные породы и поверхности скал. Сегодня цианобактерии иногда вызывают цветение водорослей, которое смертельно опасно для рыб и других морских животных. Микробы, эволюционировавшие в цианобактерий, рано начали использовать механизм фотосинтеза. Механизм позволял им превращать углекислый газ и воду в сахара и кислород.
Дно океанов древней Земли было накрыто покрывалом из цианобактерий. Они выделяли кислород. Но вот незадача: бактерии выделяли днём столько кислорода, сколько поглощали ночью. То есть никому, кроме этих бактерий, кислорода не хватало. А это нехорошо, ведь если нет излишка кислорода в воде, его не будет в атмосфере, а значит, не смогут появиться люди и другие сложные живые организмы.
Но, на наше счастье, продолжительность дня увеличилась, что позволило бактериям производить кислорода больше, чем потреблять! Излишки кислорода накапливались в древних морях, и, когда его стало много, он начал выходить в атмосферу.
Чем медленнее вращается Земля, тем больше кислорода
Ранняя Земля вращалась гораздо быстрее вокруг своей оси, чем это происходит сегодня. 4,5 миллиарда лет назад день длился всего 6 часов! Этого не хватит даже для того, чтобы полноценно просидеть свою пятую точку в офисе!
На счастье офисных сотрудников, 2,4 миллиарда лет назад вращение Земли замедлилось и продолжительность дня увеличилась до 21 часа. После этого скорость вращения Земли не менялась примерно миллиард лет. Около 700 миллионов лет назад вращение Земли замедлилось до текущей скорости, и длительность дня с тех пор составляет 24 часа, а у нас есть восьмичасовой рабочий день, ура! :(
Однако удлинение дня пошло на пользу цианобактериям, ведь теперь они смогли производить больше кислорода!
В 2016 учёные обнаружили, что замедление Земли совпадает со скачками уровня кислорода. Например, первый скачок случился во время Большого Оксигенационного События (Great Oxygenation Event), который случился 2,4 млрд лет назад, и далее снова в Неопротозойской эре, которая произошла более миллиарда лет назад. Во времена Палеозоя, примерно 400 миллионов лет назад, случился последний главный рост уровня кислорода. Таким образом, скачки уровня кислорода совпадают с замедлением вращения Земли вокруг своей оси, т.е. с удлинением дня.
Проверка гипотезы
Любая идея, даже самая гениальная, должна быть проверена. Поэтому учёные решили протестировать её в реальных условиях.
Они нашли озеро Гурон. Там достаточно мелкая вода, чтобы цианобактерии получали достаточно солнечного света для фотосинтеза. Со дна озера поднимаются обеднённая кислородом вода и сернистый газ, создавая бескислородные условия, соответствующие условиям ранней Земли.
Дайверы опускались на дно озера и собирали образцы микробов. Далее образцы доставлялись в лабораторию, где учёные отслеживали уровень выделяемого микробами кислорода при различной продолжительности дня, моделируемой при помощи галогенных ламп. Оказалось, что чем дольше микроорганизмы находились на свету, тем больше кислорода они выделяли.
В итоге получилась такая вот модель
Подтвердив гипотезу, учёные решили создать численную модель, чтобы рассчитать, сколько кислорода могли произвести древние цианобактерии в глобальном масштабе.
Модель показала, что количество кислорода на Земле увеличивалось постепенно, начиная с Великого Оксигенационного События, которое произошло 2,4 миллиарда лет назад. После этого события миллиард лет ничего не происходило. Уровень кислорода вновь вырос в Неопротозойском Оксигенационном Событии и Палеозойском Оксигенацинном Событии. Длительность дня росла в том же темпе. Это предполагает, что дополнительный свет позволил древним микробам производить больше кислорода.
Эта элегантная модель объясняет, почему кислород не начал накапливаться сразу после появления цианобактерий 3,5 миллиарда лет назад. Изначально цианобактерии производили слишком мало кислорода, он не мог накапливаться. Прошло некоторое время, прежде чем рабочий день цианобактерий увеличился, и они начали вырабатывать больше кислорода, чем потреблять. Образовывались излишки кислорода, которые выходили в атмосферу, ну а потом вы знаете: динозавры, метеорит, млекопитающие, человек и всё в таком духе :)