Pomalšia rotácia Zeme môže ovplyvniť obsah kyslíka v atmosfére

Dlhý deň pre mikróby a nárast kyslíka na Zemi.

Takmer všetok kyslík na Zemi je produkovaný a produkovaný fotosyntézou, ktorú vynašli drobné organizmy, sinice, keď bola naša planéta ešte neobývaným miestom. Sinice sa vyvinuli pred 2,4 miliardami rokov, ale Zem sa postupne transformovala na planétu bohatú na kyslík, akú poznáme dnes. „Nerozumieme úplne, prečo to trvalo tak dlho a aké faktory riadili okysličovanie Zeme,“ povedala geomikrobiologička Judith Klatt. „Ale keď som študoval rohože so sinicami v závrte Middle Island v jazere Huron v Michigane, ktoré žijú v podmienkach podobných rannej Zemi, dostal som nápad.“

Mapa povodia Veľkých jazier zobrazujúca geologický kontext. Šípky a červené kruhy označujú polohu niekoľkých ponorených závrtov jazera Huron, vrátane závrtu Middle Island. Kredity: Obrázky od Bidandy a kol. 2012, publikované v Nature Education Knowledge, a pôvodne odvodené od Granmana a kol. 2000

Sinice sú neskoré druhy

Klatt sa spojil s tímom výskumníkov okolo Grega Dicka z University of Michigan. Voda v závrte Middle Island, kde podzemná voda presakuje z dna jazera, má veľmi nízky obsah kyslíka. „Život na dne jazera je prevažne mikrobiálny a slúži ako funkčný analóg pre podmienky, ktoré na našej planéte existujú miliardy rokov,“ hovorí Bopi Bidanda, asociovaný mikrobiálny ekológ z Grand Valley State University. Mikróby sú predovšetkým fialové sinice produkujúce kyslík, ktoré konkurujú bielym baktériám oxidujúcim síru. Prvý vyrába energiu zo slnečného svetla, druhý pomocou síry.

Fialové mikrobiálne podložky v závrte Middle Island v Hurónskom jazere v júni 2019. Takéto „prsty“ v malých kopcoch a rohožiach spôsobujú bubliny plynov, ako je metán a sírovodík pod nimi. kredit: Phil Hartmeier, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary

Aby prežili, tieto baktérie predvádzajú každý deň krátky tanec: od súmraku do svitania žijú na sinici baktérie baktérie požierajúce síru, ktoré blokujú prístup k slnečnému žiareniu. Keď ráno vyjde slnko, jedáci síry sa presunú na dno a na povrch podložky sa dostanú sinice. „Teraz môžu začať fotosyntézu a produkovať kyslík,“ vysvetlil Klatt. „Aj keď to v skutočnosti trvá niekoľko hodín, ráno je tu dlhšie oneskorenie. Zdá sa, že cyanobaktérie bývajú neskoro v ranných hodinách ako ľudia, ktorí vstávajú skoro ráno.“ Výsledkom je, že ich čas na fotosyntézu je obmedzený iba na niekoľko hodín každý deň. Keď Brian Arbic, fyzický oceánograf z University of Michigan, počul o tomto jemnom mikroskopickom tanci, položil si zaujímavú otázku: „Mohlo by to znamenať, že zmena dĺžky dňa ovplyvnila fotosyntézu v histórii Zeme? Stane sa to?“

Ryba burbot odpočívajúca na skalách pokrytá purpurovými a bielymi mikrobiálnymi podložkami v závrte Middle Island v jazere Huron. kredit: Phil Hartmeier, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary

Dĺžka dňa na Zemi nie je vždy 24 hodín. „Keď sa vytvoril systém Zem-Mesiac, dni boli veľmi krátke, možno dokonca menej ako šesť hodín,“ vysvetlil Arbic. Potom gravitácia Mesiaca a prílivové trenie spôsobili, že sa naša planéta spomalila a dni sa predĺžili. Niektorí vedci tiež tvrdia, že rotačné spomalenie Zeme bolo prerušené asi na miliardu rokov, čo sa zhodovalo s dlhými obdobiami nízkych globálnych hladín kyslíka. Po tomto prerušení, keď sa rotácia Zeme pred 600 miliónmi rokov začala opäť spomaľovať, došlo k ďalšiemu veľkému prechodu v globálnych koncentráciách kyslíka.

Geomikrobiologička Judith Klattová, predtým postdoktorandka v laboratóriu UM Grega Dicka a teraz v Inštitúte Maxa Plancka pre morskú mikrobiológiu, zoškrabuje mikrobiálnu podložku z jadra sedimentu zozbieraného v závrte Middle Island v jazere Huron. kredit: Jim Erickson, University of Michigan News

Berúc na vedomie prekvapivú podobnosť medzi vzorcami rýchlosti okysličovania a rotácie Zeme v geologických časových obdobiach, Klatta fascinovala myšlienka, že medzi nimi môže existovať prepojenie – spojenie, že fotosyntéza „neskorých stúpačov“ presahuje interval, ktorý bol pozorovaný v stredný. Ostrovná priepasť. „Uvedomil som si, že dĺžka dňa a uvoľňovanie kyslíka z mikrobiálnych rohoží súvisia so úplne základným a zásadným konceptom: počas kratších dní je na vývoj gradientov menej času, a tak môže z rohoží uniknúť menej kyslíka, odhadol Klatt.

Geomikrobiológ a oceánograf UM Greg Dick vľavo a absolvent UM environmentálneho inžinierstva Kirk Olsen skúmajú jedno z jadier sedimentov zozbieraných z prepadu Middle Island v jazere Huron. Jadro obsahuje vzorky mikrobiálnych rohoží, ktoré zodpovedajú typom mikroorganizmov, ktoré na Zemi prekvitali pred miliardami rokov. kredit: Jim Erickson, University of Michigan News

Od bakteriálnych rohoží po globálny kyslík

Klatt úzko spolupracoval s Arjunom Chennu, ktorý potom tiež pracoval v Inštitúte Maxa Plancka pre morskú mikrobiológiu a teraz vedie vlastnú skupinu v Leibnizovom centre pre výskum tropického mora (ZMT) v Brémach. Na základe softvéru s otvoreným zdrojovým kódom, ktorý pre túto štúdiu vyvinul Chennu, skúmali, ako dynamika slnečného svetla súvisí s uvoľňovaním kyslíka z podložky. „Intuícia naznačuje, že dva 12-hodinové dni by mali byť rovnaké ako jeden 24-hodinový deň. Slnečné svetlo vychádza a klesá dvakrát rýchlejšie a produkcia kyslíka prebieha v tesnom závese. K uvoľňovaniu kyslíka z bakteriálnych rohoží však dochádza. Pretože je to obmedzené rýchlosť molekulárnej difúzie. Táto jemná väzba kyslíka uvoľneného zo slnečného svetla je jadrom mechanizmu, “povedal Chennu.

Potápači v suchých oblekoch sa pripravujú na vstup do studených vôd jazera Huron, aby v septembri 2017 zozbierali vzorky vzoriek mikrobiálnych podložiek v závrte Middle Island. Teplota na dne prepadu, kde podzemná voda bohatá na síru a nízky obsah kyslíka presakuje na dno jazera. , môže byť v nízkych 40. rokoch Fahrenheita. kredit: Jim Erickson, University of Michigan News

Aby pochopili, ako procesy prebiehajúce v priebehu jedného dňa môžu ovplyvniť dlhodobé okysličovanie, Klatt a jeho kolegovia začlenili svoje výsledky do globálneho modelu hladín kyslíka. Analýza naznačuje, že zvýšené uvoľňovanie kyslíka v dôsledku zmeny dĺžky dňa by mohlo viesť k zvýšeniu hladín kyslíka na celom svete. Je to prepojenie medzi aktivitou malých organizmov a globálnymi procesmi. „Dávame dohromady zákony fyziky, ktoré fungujú vo veľmi odlišných mierkach, od molekulárnej difúzie po planetárnu mechaniku. Ukazujeme, koľko kyslíka môžu uvoľniť mikróby s dĺžkou dňa a so zemou. Medzi nimi existuje zásadné prepojenie,“ povedal Chennu „Je to celkom vzrušujúce.“ Takto spájame tanec molekúl v mikrobiálnej podložke s tancom našej planéty a jej mesiacov. “

V septembri 2017 skočil potápač zo zádi búrky R/V a zostúpil asi 80 stôp na dno závalu Middle Island. kredit: Jim Erickson, University of Michigan News

Celkovo možno povedať, že dve hlavné okysličovacie udalosti (skoky v koncentrácii kyslíka) v histórii Zeme – veľká oxidačná udalosť pred viac ako dvoma miliardami rokov a neskoršia neoproterozoická okysličovacia udalosť – môžu súvisieť s predlžovaním dňa. Predĺženie dĺžky dňa preto môže dostatočne zvýšiť bentickú čistú produktivitu, aby ovplyvnilo hladiny atmosférického kyslíka. „Žonglovanie s touto širokou škálou časových a priestorových mierok bolo ohromujúce-a veľa zábavy,“ uzavrel Klatt.

Odkaz: „Možné spojenie medzi rýchlosťou rotácie Zeme a kyslíkom“ z 2. augusta 2021, geológia prírody.
DOI: 10,1038/s41561-021-00784-3