Сюрприз в озере Гурон: рост кислорода на ранней Земле и изменение скорости вращения планет

 

Аквалангист наблюдает за фиолетовыми, белыми и зелеными микробами, покрывающими камни в воронке на Среднем острове озера Гурон. Предоставлено: Фил Хартмейер, Национальный морской заповедник NOAA в Тандер-Бей.

Теперь международная исследовательская группа предполагает, что увеличение продолжительности светового дня на ранней Земле — вращение молодой планеты постепенно замедлялось со временем, делая дни длиннее — могло увеличить количество кислорода, выделяемого фотосинтезирующими цианобактериями, тем самым определяя время жизни Земли. оксигенация.

Их вывод был вдохновлен исследованием современных микробных сообществ, растущих в экстремальных условиях на дне затопленной воронки в озере Гурон, на 80 футов ниже поверхности воды. Вода в воронке на Мидл-Айленде богата серой и с низким содержанием кислорода, а ярко окрашенные бактерии, которые процветают там, считаются хорошими аналогами одноклеточных организмов, которые миллиарды лет назад образовывали похожие на циновки колонии, покрывающие и сушу, и морское дно. поверхности.

Исследователи показывают, что увеличение продолжительности дня увеличивает количество кислорода, выделяемого фотосинтетическими микробными матами. Это открытие, в свою очередь, указывает на ранее не рассмотренную связь между историей оксигенации Земли и скоростью ее вращения. В то время как Земля теперь вращается вокруг своей оси каждые 24 часа, продолжительность дня, возможно, составляла всего 6 часов во время зарождения планеты.

Ведущие авторы — Джудит Клатт из Института морской микробиологии Макса Планка и Арджун Ченну из Центра тропических морских исследований Лейбница. Клатт — бывший научный сотрудник лаборатории геомикробиолога Мичиганского университета Грегори Дик, который является одним из двух авторов-корреспондентов исследования. Другие соавторы из Университета штата Вашингтон и Гранд-Вэлли.

«Неизменный вопрос в науках о Земле заключался в том, как атмосфера Земли получила кислород и какие факторы контролировались, когда происходило это насыщение кислородом», — сказал Дик с палубы НИС «Шторм», 50-футового исследовательского судна NOAA, на борту которого находилось группа ученых и аквалангистов совершает поездку по сбору проб из города Алпена, штат Мичиган, в карстовую яму на Мидл-Айленде, в нескольких милях от берега.

«Наши исследования показывают, что скорость вращения Земли — другими словами, продолжительность ее светового дня — могла иметь важное влияние на характер и время насыщения Земли кислородом», — сказал Дик, профессор кафедры Земли и науки Университета штата Вашингтон. Науки об окружающей среде.

Исследователи смоделировали постепенное замедление скорости вращения Земли и показали, что более длинные дни увеличили бы количество кислорода, выделяемого ранними цианобактериальными матами, что помогает объяснить два великих события оксигенации планеты.

Проект начался, когда соавтор Брайан Арбич, физический океанограф из Департамента наук о Земле и окружающей среде UM, услышал публичную лекцию о работе Клатта и отметил, что изменения продолжительности дня могут играть определенную роль с течением геологического времени в истории фотосинтеза, которая Лаборатория Дика развивалась.

В наши дни цианобактерии получают плохую репутацию, потому что они являются основными виновниками неприглядного и токсичного цветения водорослей, которые поражают озеро Эри и другие водоемы по всему миру.

Но эти микробы, ранее известные как сине-зеленые водоросли, существуют уже миллиарды лет и были первыми организмами, которые выяснили, как улавливать энергию солнечного света и использовать ее для производства органических соединений посредством фотосинтеза, выделяя кислород в качестве побочного продукта.

Считается, что массы этих простых организмов, живущих в первобытных морях, выделяют кислород, что позже привело к появлению многоклеточных животных. Планета медленно превращалась из планеты с исчезающе малым количеством кислорода до современного уровня атмосферы около 21%.

На этой фотографии, предоставленной Национальным морским заповедником NOAA в Тандер-Бей от 19 июня 2019 года, видны пурпурные микробные маты в провале на Мидл-Айленде в озере Гурон, штат Мичиган. Маленькие холмы и «пальцы», подобные этому, в матах, вызваны такими газами, как метан и сероводород. бурлящие под ними. Чувствуете, что дни становятся длиннее? Они есть, и это хорошо, потому что нам не пришлось бы дышать, если бы они не были, согласно новому объяснению того, как богатая кислородом атмосфера Земли могла образоваться из-за замедления вращения Земли. Ученые представили доказательства этой новой гипотезы, проверив в лаборатории липкие пурпурные бактерии из глубокого провала в озере Гурон. Предоставлено: Фил Хартмейер / Национальный морской заповедник NOAA Thunder Bay.

В водостоке Мидл-Айленд в озере Гурон пурпурные цианобактерии, производящие кислород, конкурируют с белыми сероокисляющими бактериями, которые используют серу, а не солнечный свет, в качестве основного источника энергии.

В танце микробов, который ежедневно повторяется на дне воронки на Мидл-Айленде, тонкие пурпурные и белые микробы пытаются занять свое положение в течение дня и по мере того, как условия окружающей среды медленно меняются. Белые бактерии, поедающие серу, физически покрывают пурпурные цианобактерии утром и вечером, блокируя их доступ к солнечному свету и не давая им осуществлять фотосинтез, производящий кислород.

Но когда уровень солнечного света повышается до критического порога, бактерии, окисляющие серу, мигрируют обратно под фотосинтезирующие цианобактерии, позволяя им начать производить кислород.

Вертикальная миграция сероокисляющих бактерий наблюдалась и раньше. Нового в том, что авторы Природа Геонауки Исследования являются первыми, кто связывает эти микробные движения и результирующие темпы производства кислорода с изменением продолжительности дня на протяжении всей истории Земли.

«Две группы микробов в циновках для воронок на Мидл-Айленде соревнуются за самое верхнее положение, при этом бактерии, окисляющие серу, иногда затеняют фотосинтетически активные цианобактерии», — сказал Клатт, обрабатывая образец керна из микробных матов для воронок на Мидл-Айленде в лаборатории в Альпене. «Возможно, подобная конкуренция между микробами способствовала задержке производства кислорода на ранней Земле».

Ключом к пониманию предполагаемой связи между изменением продолжительности дня и насыщением Земли кислородом является то, что более длинные дни увеличивают дневной световой период, позволяя фотосинтетическим цианобактериям производить больше кислорода.

«Идея состоит в том, что с более короткой продолжительностью дня и более коротким периодом для условий высокой освещенности днем ​​эти белые сероедные бактерии будут находиться поверх фотосинтетических бактерий в течение большей части дня, ограничивая выработку кислорода», — сказал Дик. пока лодка качалась на неспокойной воде, она пришвартовалась в паре сотен ярдов от Мидл-Айленда.

Современные микробы озера Гурон считаются хорошими аналогами древних организмов отчасти потому, что экстремальные условия на дне карстовой воронки на Мидл-Айленде, вероятно, напоминают суровые условия, которые преобладали в мелководных морях ранней Земли.

Озеро Гурон покрыто известняком, доломитом и гипсом возрастом 400 миллионов лет, который образовался из соленых морей, которые когда-то покрывали континент. Со временем движение грунтовых вод растворило часть этой коренной породы, образовав пещеры и трещины, которые позже разрушились, образовав как наземные, так и затопленные воронки возле Алпены.

Холодные, бедные кислородом, богатые серой подземные воды просачиваются на дно карстовой воронки на Мидл-Айленде диаметром 300 футов, отгоняя большинство растений и животных, но создавая идеальный дом для определенных специализированных микробов.

Команда Дика в сотрудничестве с соавтором Бопайей Биддандой из Института водных ресурсов Аннис при Государственном университете Гранд-Вэлли изучала микробные маты на полу воронки на Мидл-Айленде в течение нескольких лет, используя различные методы. С помощью аквалангистов из Национального морского заповедника NOAA в Тандер-Бей, который наиболее известен своими кораблекрушениями, но также является домом для карстовой воронки на Мидл-Айленде и некоторых других подобных ей, исследователи разместили инструменты на дне озера, чтобы изучить химию и биологию. там.

Они также принесли в лабораторию образцы циновок для проведения экспериментов в контролируемых условиях.

Клатт предположил, что связь между продолжительностью дня и выделением кислорода может быть обобщена на любую данную экосистему мата, основываясь на физике переноса кислорода. Она объединилась с Ченну для проведения подробных исследований по моделированию, чтобы связать процессы микробного мата с моделями земного масштаба в геологических временных масштабах.

Исследования по моделированию показали, что продолжительность светового дня действительно влияет на выделение кислорода из матов.

«Проще говоря, у кислорода меньше времени, чтобы покинуть коврик в более короткие дни», — сказал Клатт.

Это привело исследователей к выводу о возможной связи между увеличением продолжительности дня и повышением уровня кислорода в атмосфере. Модели показывают, что этот предложенный механизм может помочь объяснить характерный ступенчатый характер оксигенации Земли, а также сохранение периодов с низким содержанием кислорода на протяжении большей части истории планеты.

На протяжении большей части истории Земли атмосферный кислород был редко доступен и, как полагают, увеличивался в два больших шага. Великое событие окисления произошло около 2,4 миллиарда лет назад, и его обычно приписывают самым первым фотосинтезирующим цианобактериям. Почти 2 миллиарда лет спустя произошел второй всплеск кислорода, известный как неопротерозойское событие оксигенации.

Скорость вращения Земли медленно снижается с тех пор, как планета сформировалась около 4,6 миллиарда лет назад из-за неумолимого притяжения луны, которое создает приливное трение.

 

⏬