Вдихаємо, видихаємо. Чому потрібно дякувати Місяцю за кисень

Журналіст Popular Science Чарлі Вуд у своїй статті пише про нову теорію, яка, можливо, пояснює, звідки в нашій атмосфері сьогодні стільки кисню.

Якби мандрівники в часі могли повернутися на стародавню Землю, скажімо, на 3 млрд років назад, вони б не прогадали, якби захопили з собою системи життєзабезпечення. Усе тому, що тоді на планеті було так мало кисню, що вони просто задихнулися б. А без повітря, яким можна дихати, мандрівники в часі не прожили б досить довго, щоб побачити ще одну особливість стародавньої Землі — схід сонця, ймовірно, кожні 16–17 годин. Згідно з новою теорією короткі дні і мінімальний вміст кисню можуть бути взаємоповʼязані.

Вчені довго намагалися зрозуміти, чому на Землі постійно збільшувався обсяг кисню. Спочатку на планеті майже не було кисню, але потім, здається, приблизно 2 млрд років тому, його кількість різко зросла на кілька відсотків. Це явище назвали Кисневою катастрофою.

З плином часу рівень кисню вирівнявся, що вчені називають нудним мільярдом років. Потім стався ще один різкий стрибок. Кому ми можемо дякувати за весь цей кисень? Біологи вважають, що це заслуга фотосинтезуючих мікробів, які виділяють кисень, виробляючи енергію з сонячного світла.

Тільки от з часом нестиковка. Такі мікроби, ймовірно, еволюціонували задовго до першого різкого збільшення рівня кисню, і незрозуміло, що могло їх загальмувати під час нудного мільярда.

"Якщо фотосинтез призводить до збільшення кількості кисню, то чому він так довго не збільшувався?" — каже Арджун Ченну, еколог і фахівець з аналізу даних з Центру тропічних морських досліджень ім. Лейбніца в Німеччині.

Як Місяць міг наситити Землю киснем

За минулі роки зʼявилося багато ідей, які пояснюють різке збільшення обсягу кисню. Могло бути менше вулканічних газів, що поглинають кисень. Або, можливо, в давній екосистемі не вистачало поживних речовин, необхідних для розвитку ціанобактерій (мікробів, які продукують кисень).

Але один підозрілий збіг викликав величезний інтерес у мікробіологині в Інституті морської мікробіології Макса Планка Джудіт Клатт: з підвищенням рівня кисню дні ставали все довшими.

У свої перші роки Земля здійснювала повне обертання навколо осі приблизно за шість годин. Але разом з формуванням океанів і під впливом гравітації Місяця океани переміщалися по поверхні планети. Тертя, що виникало, поступово сповільнило її обертання до нинішніх 24 годин (і дні кожні два роки продовжують ставати довшими на одну стотисячну частку секунди).

Однак це уповільнення постійним не було. Одна теорія говорить, що два типи припливів — в океані і атмосфері — могли протистояти і стримувати один одного, через що доба тривала 21 годину приблизно мільярд років — той самий нудний мільярд.

Клатт звʼязалася з Ченну, щоб зʼясувати подробиці того, як мікроби тієї епохи могли відреагувати на більш тривалі дні. Завдяки постдокторській роботі в Мічиганському університеті вона була добре знайома з мікробними матами, міліметровими шарами ціанобактерій і безліччю інших організмів, які більшу частину історії Землі чіплялися за прибережні породи і відкладення. Вона підозрювала, що вироблення ними кисню могло залежати від тривалості дня.

Придумана ж Ченну модель допускає таку гіпотезу. Важливо зазначити, що вироблення кисню залежало від того, наскільки швидко день змінюється ніччю. Коли Земля оберталася занадто швидко, ціанобактерії не могли досягти максимального вироблення кисню до настання сутінків. Але оскільки добове обертання Землі сповільнилося, вони змогли повністю реалізувати свій потенціал у виробництві кисню.

"Це дуже незначний ефект, але, діючи кожного сонячного дня протягом мільйонів років, він може привести до змін, які, як ми думаємо, мають глобальне значення", — говорить Ченну.

Щоб перевірити їх модель, дайвери витягли зразки мікробних матів з озера Гурон. Це були складні колонії з багатьма типами мікробів, включаючи конкурентів ціанобактерій за перше місце в поглинанні сонячного світла.

Коли вчені змоделювали тривалість дня в 12, 16, 21 і 24 години з використанням штучного світла, ціанобактерії виділяли найбільше кисню в найдовші дні — і фактично більше, ніж передбачалося раніше.

Ключі до минулого в майбутньому

Дослідники зазначають, що їхні висновки грунтуються на декількох припущеннях. Наприклад, згідно з даними про скамʼянілості, мікробних матів могло бути неймовірно багато. Однак знання дослідників про швидкість обертання Землі і вміст кисню в далекому минулому досить нечіткі і непрямі.

"Це було дуже давно, — каже Клатт. — Найстарішому камінню 3,8 млрд років, і воно дуже рідко зустрічається".

Але якщо пауза в уповільненні обертання Землі дійсно припадає на нудний мільярд, їхня теорія обгрунтована. Більш тривалі дні приводили до збільшення кількості кисню, поки ціанобактерії не змогли впоратися з природною здатністю Землі поглинати кисень, що призвело до Кисневої катастрофи. Потім — під час нудного мільярда — обертання стабілізувалося. Нарешті, тривалість доби знову почала зростати, а рівень кисню зріс. Потім зʼявилися ліси і підвищили рівень кисню до нинішнього рівня.

За словами Клатт, свій внесок зробили і попередні теорії, що пояснюють Кисневу катастрофу. Ідея про тривалість світлового дня їх підкріплює, а не суперечить їм. "Ймовірно, одночасно працював мільйон інших механізмів", — говорить Клатт.

Також вчені сподіваються, що їхні колеги внесуть уточнення у свої дослідження про те, як щоденне виробництво кисню могло привести до довгострокових змін в атмосфері. Вони також з нетерпінням чекають виявлення досі невідомих локацій з древніми породами, які більш точно опишуть давню Землю. А в каменях з Місяця, добутих під час майбутніх місій, може міститися детальна інформація про те, як Місяць сповільнював Землю приливами. Будь-яке з цих свідчень може пролити світло на звʼязок між обертанням планети і повітрям, яким ми дихаємо.

"Ми сподіваємося, що цей механізм може стати своєрідною опорою для роздумів про цю проблему нудного мільярда років", — говорить Ченну.