Тема:

Геология и науки о Земле 2 недели назад

Земля, притормози, мне нечем дышать: обнаружено удивительное событие прошлого

Здесь показаны пурпурные микробные маты Мидл-Айленда. Холмики на поверхности образованы газами, такими как метан и сероводород, вырабатываемыми под ними.

Здесь показаны пурпурные микробные маты Мидл-Айленда. Холмики на поверхности образованы газами, такими как метан и сероводород, вырабатываемыми под ними.
Фото Phil Hartmeyer/NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary.

Карта бассейна Великих озер с указанием геологического контекста. Стрелка и красный кружок указывают на расположение нескольких подводных впадин в озере Гурон, включая воронку Мидл-Айленд.

Карта бассейна Великих озер с указанием геологического контекста. Стрелка и красный кружок указывают на расположение нескольких подводных впадин в озере Гурон, включая воронку Мидл-Айленд.
Иллюстрация Biddanda et al. 2012.

Рыба-налим отдыхает на камнях, покрытых пурпурными и белыми микробными матами, внутри карстовой воронки Мидл-Айленд озера Гурон.

Рыба-налим отдыхает на камнях, покрытых пурпурными и белыми микробными матами, внутри карстовой воронки Мидл-Айленд озера Гурон.
Фото Phil Hartmeyer/NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary.

Аквалангист наблюдает за фиолетовыми, белыми и зелеными микробами, покрывающими скалы во впадине Мидл-Айленд.

Аквалангист наблюдает за фиолетовыми, белыми и зелеными микробами, покрывающими скалы во впадине Мидл-Айленд.
Фото Phil Hartmeyer/NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary.

Геомикробиолог Джудит Клатт соскребает микробный мат с верхней части осадочного керна, собранного в озере Гурон.

Геомикробиолог Джудит Клатт соскребает микробный мат с верхней части осадочного керна, собранного в озере Гурон.
Фото Jim Erickson/University of Michigan News.

Здесь показаны пурпурные микробные маты Мидл-Айленда. Холмики на поверхности образованы газами, такими как метан и сероводород, вырабатываемыми под ними.
Карта бассейна Великих озер с указанием геологического контекста. Стрелка и красный кружок указывают на расположение нескольких подводных впадин в озере Гурон, включая воронку Мидл-Айленд.
Рыба-налим отдыхает на камнях, покрытых пурпурными и белыми микробными матами, внутри карстовой воронки Мидл-Айленд озера Гурон.
Аквалангист наблюдает за фиолетовыми, белыми и зелеными микробами, покрывающими скалы во впадине Мидл-Айленд.
Геомикробиолог Джудит Клатт соскребает микробный мат с верхней части осадочного керна, собранного в озере Гурон.

Достаточное для жизни количество кислорода могло образоваться на Земле потому, что планета со временем стала вращаться медленнее. Это показал любопытный эксперимент ученых, в котором приняли участие жители карстовой воронки.

Международная группа исследователей предполагает, что кислорода на Земле прибыло, когда увеличилась продолжительность светового дня.

Вращение нашей молодой планеты постепенно замедлялось, дни становились длиннее. А чем длиннее день, тем больше солнечного света получали цианобактерии для выработки жизненно важных для них веществ.

Попутно они выделяли кислород. Постепенно эти микроскопические существа наполнили атмосферу этим живительным газом. Такое предположение выдвинули в своей статье немецкие и американские ученые. Статью опубликовал журнал Nature Geoscience.

Свою кислородную гипотезу ученые проверили с помощью цианобактерий из карстовой впадины на острове Мидл-Айленд (Middle Island Sinkhole), расположенной у американского побережья озера Гурон. Собственно, с изучения жизни этих микроскопических существ всё и началось.

Карта бассейна Великих озер с указанием геологического контекста. Стрелка и красный кружок указывают на расположение нескольких подводных впадин в озере Гурон, включая воронку Мидл-Айленд.

В этих местах чуть менее двух с половиной миллиардов лет назад вследствие кислородной катастрофы началось Гуронское обледенение, которое длилось 300 миллионов лет.

Поясним, что кислородной катастрофой ученые называют непонятное пока науке резкое появление свободного кислорода в атмосфере Земли. До того она состояла в основном из углекислого газа, сероводорода, аммиака и метана.

Танец гуронских микробов

В карстовой впадине на острове Мидл-Айленд цианобактерии живут в условиях, напоминающих раннюю Землю. Впадина отгорожена от озера природной каменной стенкой. Вода просачивается туда со дна озера Гурон, поэтому вода во впадине очень бедна кислородом.

"Микроорганизмы обитают в основном в так называемых матах на дне озера. Эта среда обитания является отражением условий, которые также преобладали на Земле в течение миллиардов лет", – говорит Бопи Бидданда (Bopi Biddanda), микробиолог из американского Университета Гранд-Вэлли в Мичигане.

Микробная жизнь во впадине представлена в основном пурпурными цианобактериями и белыми серобактериями. В процессе жизнедеятельности цианобактерии под действием света производят кислород. Серобактерии используют кислород цианобактерий для окисления сероводорода в процессе своего питания.

Чтобы не упустить ни грамма кислорода, серобактерии ложатся ковром (или матом) на цианобактерии. При этом они блокируют им доступ к солнечному свету, из-за чего цианобактерии перестают вырабатывать кислород.

Тогда нуждающиеся в кислороде серобактерии мигрируют обратно под цианобактерии, позволяя им жить своей жизнью, а заодно производить кислород. Серобактериям пришлось приспособиться к цианобактериям, чтобы использовать их ритм жизнедеятельности для собственных нужд. Поэтому на рассвете цианобактерии беспрепятственно выбираются из-под серобактерий наверх и расстилаются поверх них.

"Теперь они могут приступить к фотосинтезу и начать производить кислород, – объясняет Джудит Клатт (Judith Klatt), геомикробиолог из Института морской микробиологии Макса Планка. – Но пока они улягутся и приготовятся к работе, пройдет еще пара часов. Цианобактерии скорее "совы", чем "жаворонки".

Иначе говоря, цианобактерии начинают свою работу ближе к полудню. Вот почему у них есть только несколько часов в день для фотосинтеза.

Как Луна связана с земным кислородом

Когда Брайан Арбич (Brian Arbic), океанограф из Мичиганского университета, услышал об этом ежедневном танце микробов, он задал интригующий вопрос: "Может ли изменение продолжительности дня влиять на фотосинтез на протяжении всей истории Земли?"

Дело в том, что сутки на Земле не всегда длились 24 часа.

"Когда возникла система Земля-Луна, дни были намного короче, может быть, [они длились] даже всего шесть часов", – говорит Арбич.

Земля постепенно вращалась все медленнее из-за гравитационного влияния Луны и тормозящих вращение Земли приливов.

Некоторые исследователи считают, что замедление Земли было прервано примерно на миллиард лет. Тогда начался длительный период, характеризующийся низким содержанием кислорода в атмосфере.

Около 600 миллионов лет назад вращение Земли снова начало замедляться, и тогда произошло еще одно серьезное изменение глобальной концентрации кислорода в атмосфере.

Логика Арбича проста: более длинные сутки означают, что и продолжительность светового дня больше, а значит, у фотосинтетических цианобактерий появляется больше времени на производство кислорода. Значит, если Земля замедлила свое вращение, и световой день вместе с продолжительностью суток увеличился, то цианобактерии могли развернуть производство кислорода и быстро наполнить им земную атмосферу.

Микробные маты открыли прошлое Земли

"Идея состоит в том, что при более коротких сутках послеполуденная светлая часть дня будет короче, и серобактерии будут дольше находиться поверх фотосинтетических бактерий, ограничивая выработку кислорода", – объясняет Грегори Дик (Gregory Dick), геомикробиолог из Мичиганского университета.

Аквалангист наблюдает за фиолетовыми, белыми и зелеными микробами, покрывающими скалы во впадине Мидл-Айленд.

Команда Дика изучала микробные маты на дне впадины на Мидл-Айленде разными методами в течение нескольких лет. С помощью аквалангистов исследователи разместили на дне впадины приборы для химических и биологических исследований. Одновременно образцы взятых со дна озера микробных матов изучались в лаборатории, в контролируемых условиях.

На основании данных о жизнедеятельности микробных матов ученые математически смоделировали постепенное замедление скорости вращения Земли и показали, что более длинные дни увеличили бы количество кислорода, выделяемого ранними сообществами цианобактерий. И это, по их мнению, дает почву для размышлений на тему двух масштабных периодов насыщения атмосферы Земли кислородом.

Ранее мы писали о микробах, поставивших эволюцию на паузу, и об обнаружении неизвестных науке бактерий на МКС. А еще мы рассказывали, как бактерии помогут создать кислород и пищу на Марсе.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".