Вдыхаем, выдыхаем. Почему нужно благодарить Луну за кислород

Журналист Popular Science Чарли Вуд в своей статье пишет о новой теории, возможно объясняющей, откуда в нашей атмосфере сегодня столько кислорода.

Если бы путешественники во времени могли вернуться на древнюю Землю, скажем, на 3 млрд лет тому назад, они бы не прогадали, если бы захватили с собой системы жизнеобеспечения. Все потому, что тогда на планете было так мало кислорода, что они попросту задохнулись бы. А без воздуха, которым можно дышать, путешественники во времени не прожили бы достаточно долго, чтобы лицезреть еще одну особенность древней Земли — восход солнца, вероятно, каждые 16–17 часов. Согласно новой теории короткие дни и минимальное содержание кислорода могут быть взаимосвязаны.

Ученые долго пытались понять, почему на Земле постоянно увеличивался объем кислорода. Поначалу на планете почти не было кислорода, но после, кажется, примерно 2 млрд лет тому назад, его количество резко выросло на несколько процентов. Это явление назвали Кислородной катастрофой.

С течением времени уровень кислорода выровнялся, что ученые называют скучным миллиардом лет. Затем произошел еще один резкий скачок. Кого мы можем благодарить за весь этот кислород? Биологи считают, что это заслуга фотосинтезирующих микробов, которые выделяют кислород, производя энергию из солнечного света.

Только вот со временем нестыковка. Такие микробы, вероятно, эволюционировали задолго до первого резкого увеличения уровня кислорода, и непонятно, что могло их затормозить во время скучного миллиарда.

"Если фотосинтез приводит к увеличению количества кислорода, то почему он так долго не увеличивался?" — говорит Арджун Ченну, эколог и специалист по анализу данных из Центра тропических морских исследований им. Лейбница в Германии.

Как Луна могла насытить Землю кислородом

За прошедшие годы появилось много идей, объясняющих резкие увеличения объема кислорода. Могло быть меньше вулканических газов, поглощающих кислород. Или, возможно, в древней экосистеме не хватало питательных веществ, необходимых для развития цианобактерий (микробов, продуцирующих кислород).

Но одно подозрительное совпадение вызвало огромный интерес у микробиолога в Институте морской микробиологии Макса Планка Джудит Клатт: с повышением уровня кислорода дни становились все длиннее.

В свои первые годы Земля совершала полный оборот вокруг оси примерно за шесть часов. Но по мере образования океанов и под влиянием гравитации Луны океаны перемещались по поверхности планеты. Возникающее трение постепенно замедлило ее вращение до нынешних 24 часов (и дни каждые два года продолжают становится длиннее на одну стотысячную доли секунды).

Однако это замедление постоянным не было. Одна теория гласит, что два типа приливов — в океане и атмосфере — могли противостоять и сдерживать друг друга, из—за чего сутки длились 21 час примерно миллиард лет — тот самый скучный миллиард.

Клатт связалась с Ченну, чтобы выяснить подробности того, как микробы той эпохи могли отреагировать на более продолжительные дни. Благодаря постдокторской работе в Мичиганском университете она была хорошо знакома с микробными матами, миллиметровыми слоями цианобактерий и множеством других организмов, которые большую часть истории Земли цеплялись за прибрежные породы и отложения. Она подозревала, что выработка ими кислорода могла зависеть от продолжительности дня.

Придуманная же Ченну модель допускает такую гипотезу. Важно отметить, что выработка кислорода зависела от того, насколько быстро день сменяется ночью. Когда Земля вращалась слишком быстро, цианобактерии не могли достичь максимальной выработки кислорода до наступления сумерек. Но поскольку суточное вращение Земли замедлилось, они смогли полностью реализовать свой потенциал в производстве кислорода.

"Это очень незначительный эффект, но действуя каждый солнечный день в течение миллионов лет, он может привести к изменениям, которые, как мы думаем, имеют глобальное значение", — говорит Ченну.

Чтобы проверить их модель, дайверы извлекли образцы микробных матов из озера Гурон. Это были сложные колонии со многими типами микробов, включая конкурентов цианобактерий за первое место в поглощении солнечного света.

Когда ученые смоделировали продолжительность дня в 12, 16, 21 и 24 часа с использованием искусственного света, цианобактерии выделяли больше всего кислорода в самые продолжительные дни — и фактически больше, чем предполагалось ранее.

Ключи к прошлому в будущем

Исследователи отмечают, что их выводы основаны на нескольких предположениях. Например, согласно данным об окаменелостях, микробных матов могло быть невероятно много. Однако знания исследователей о скорости вращения Земли и содержании кислорода в далеком прошлом довольно нечеткие и косвенные.

"Это было очень давно, — говорит Клатт. — Самым старым камням 3,8 млрд лет, и они очень редко встречаются".

Но если пауза в замедлении вращения Земли действительно приходится на скучный миллиард, их теория обоснована. Более продолжительные дни приводили к увеличению количества кислорода, пока цианобактерии не смогли справиться с естественной способностью Земли поглощать кислород, что привело к Кислородной катастрофе. Затем — во время скучного миллиарда — вращение стабилизировалось. Наконец, продолжительность суток снова начала расти, а уровень кислорода вырос. Затем появились леса и повысили уровень кислорода до нынешнего уровня.

По словам Клатт, свой вклад внесли и предыдущие теории, объясняющие Кислородную катастрофу. Идея о продолжительности светового дня их подкрепляет, а не противоречит им. "Вероятно, одновременно работал миллион других механизмов", — говорит Клатт.

Также ученые надеются, что их коллеги внесут уточнения в свои исследования о том, как ежедневное производство кислорода могло привести к долгосрочным изменениям в атмосфере. Они также с нетерпением ждут обнаружения доселе неизвестных локаций с древними породами, которые более точно опишут древнюю Землю. А в камнях с Луны, извлеченных во время будущих миссиях, может содержаться подробная информация о том, как Луна замедляла Землю приливами. Любое из этих свидетельств может пролить свет на связь между вращением планеты и воздухом, которым мы дышим.

"Мы надеемся, что этот механизм может стать своего рода опорой для размышлений об этой проблеме скучного миллиарда лет", — говорит Ченну.