Стародавні мікроби створили кисневу атмосферу тільки після того, як земний день став довшим.
Кисень у земній атмосфері з'явився не відразу, точніше, якась кількість його була, але дихати таким повітрям було не можна. І в океанах тоді жили організми, які цілком обходилися без кисню. Тодішні мікроби були здатні до фотосинтезу - тобто вони вміли синтезувати органічні молекули за допомогою енергії світла - але то був безкислородний фотосинтез: кисню ці мікроби не виділяли.
Але ось одного разу якісь ціанобактерії навчилися кисневому фотосинтезу, і життя на Землі вже ніколи не повернулося до колишнього: атмосфера радикально змінилася, і ті організми, які добре почувалися в безкислородній атмосфері, були змушені піти в підпілля, поступившись «кисневим» формам життя. Сталося це близько 2,3 млрд років тому. З іншого боку, рівень кисню в атмосфері зріс не так вже й швидко. Перші ціанобактерії, здатні до кисневого фотосинтезу, з'явилися в морях і океанах близько 3,5 млрд років тому. І повинно було пройти ще близько мільярда років, щоб у гірських породах з'явилися сліди кисню, що вказують на те, що в атмосфері його стало досить багато.
Чому кисень накопичувався так довго? Можливо, він накопичувався б ще довше, якби не сталося чогось, що допомогло ціанобактеріям змінити атмосферу. Співробітники Інституту морської мікробіології Товариства Макса Планка разом з колегами з Мічиганського університету вважають, що це «щось» - уповільнення обертання Землі навколо своєї осі.
Насправді відомо, що доба на Землі не завжди була однаковою, і колись давним-давно молода Земля крутилася навколо своєї осі набагато швидше, ніж зараз. Так, 4,5 млрд років тому доба тривала лише 6 годин. Близько 2,4 млрд років через вплив Місяця обертання Землі сповільнилося, і доба розтягнулася до 21 години. Потім гравітаційна взаємодія Місяця і Землі стабілізувалася, і протягом мільярда років доба залишалася постійною. Але 700 млн років тому Місяць знову вплинув на Землю, і та сповільнилася ще трохи - і доба зросла до сьогоднішніх 24 годин.
Для фотосинтезу, як ми розуміємо, потрібне світло. Ще в 2016 році було висловлено припущення, що стрибки кисню в земній атмосфері відповідають уповільненням Землі і збільшенню світлового дня. Дійсно, перший раз кисню стало більше якраз близько 2,4 млрд років тому - то була киснева катастрофа. Але потім рівень кисню збільшувався ще кілька разів, і ці збільшення за часом відбувалися приблизно після того, як Земля починала повільніше обертатися.
Спільнота ціанобактерій (бактеріальний 1916) на дні озера Гурон. (Фото: Phil Hartmeyer / NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary)
У статті в Nature Geoscience описано експерименти із сучасними ціанобактеріями, які підтверджують зв'язок кисневої катастрофи зі збільшенням земної доби. Ціанобактерій для експерименту взяли в озері Гурон: вони живуть тут у таких місцях, де, з одного боку, достатньо світла для фотосинтезу, а з іншого боку, у воді дуже мало кисню і багато оксиду сірки, що почасти нагадує дно доісторичного океану. Тобто ціанобактерії з Гурона можна до якоїсь міри вважати схожими на тих, які мільярди років тому починали насичувати киснем земну атмосферу. Сам по собі експеримент був досить простий: ціанобактерій перенесли в лабораторію, де їм давали різну кількість світла, імітуючи коротші і довші добу - і з довшою «добою» ціанобактерії давали більше кисню.
Правда, справа в тому, що кисень потрібен і самим ціанобактеріям, для їх власного метаболізму, для дихання. Але за новими розрахунками, додавальні денні години, що з'являються при уповільненні Землі, дозволяли ціанобактеріям напрацювати надлишок кисню - надлишок, який самим ціанобактеріям не був потрібен і який йшов з бактеріальних спільнот (або бактеріальних матів) в навколишню воду, а з неї - в повітря.
Дослідники масштабували лабораторні результати на планету цілком. Як змінювався вміст кисню в атмосфері, відомий за геологічними відкладеннями, і виявилося, що лабораторне підвищення рівня кисню відповідає його історичному накопиченню: кисню в атмосфері ставало більше одночасно зі збільшенням світлового дня, і рівень його стабілізувався теж разом зі світловим днем.
Перші ціанобактерії з кисневим фотосинтезом не могли поділитися киснем з атмосферою: день був короток, і весь кисень, який вони встигали насинтезувати, вони витрачали на власні потреби. Але коли Земля сповільнилася вперше і день сильно збільшився, в ціанобактеріальних матах з'явився зайвий кисень для атмосфери.
Автори роботи розглядали тільки ті ціанобактерії, які сидять на морському дні і утворюють щільні складновлаштовані колонії (ті самі бактеріальні матюки). Інші дослідники вважають, що свою роль у створенні кисневої атмосфери могли зіграти і вільноплавні фотосинтетики.
З іншого боку, накопиченню кисню могли заважати вулкани, які викидають величезну кількість мінералів, що хімічно зв'язують кисень. Ці та інші фактори слід врахувати в підсумковій моделі, але навряд чи вони кардинально змінять саму модель: мабуть, стародавні мікроби зуміли наситити нашу атмосферу киснем і справді тільки після того, як земний день став довшим.