Ilga diena mikrobams ir deguonies atsiradimui Žemėje.

Praktiškai visas deguonis Žemėje buvo ir yra gaminamas fotosintezės būdu, kurią išrado mikroorganizmai, cianobakterijos, kai mūsų planeta dar buvo negyvenama vieta. Cianobakterijos išsivystė daugiau nei prieš 2,4 milijardo metų, tačiau Žemė pamažu virto deguonimi turtinga planeta, kurią mes žinome šiandien. „Mes visiškai nesuprantame, kodėl tai užtruko taip ilgai, ir veiksniai, kontroliuojantys Žemės prisotinimą deguonimi“, – sakė mikrobiologė Judith Clatt. „Tačiau studijuodamas cianobakterijų kilimėlius Hurono ežero centriniame salos baseine Mičigano valstijoje, kurie gyvena ankstyvomis Žemės sąlygomis, turėjau idėją.”

Didžiųjų ežerų baseino žemėlapis, kuriame pavaizduotas geologinis kontekstas. Rodyklė ir raudonas apskritimas rodo kelių Hurono ežero upelių, įskaitant Centrinės salos grupę, vietą. Kreditas: paveikslas iš Biddanda ir kt. 2012 m., Paskelbtas žurnale „Nature Education Knowledge“ ir iš pradžių gautas iš Granneman ir kt. 2000 m

Cianobakterijos vėluoja kilti

Clatt dirbo su mokslininkų grupe Greg Dick iš Mičigano universiteto. Vanduo Centriniame salos baseine, kuriame požeminis vanduo prasiskverbia iš ežero dugno, yra labai mažai deguonies. „Gyvenimas ežero dugne iš esmės yra mikrobinis ir veikia kaip atitikmuo toms sąlygoms, kurios mūsų planetoje vyravo milijardus metų“, – sako Bobby Bedanda, bendradarbiaujantis mikrobų ekologas iš Grand Valley valstijos universiteto. Mikrobai yra purpurinę deguonį gaminančios cianobakterijos, konkuruojančios su sierą oksiduojančiomis baltosiomis bakterijomis. Pirmasis generuoja energiją saulės šviesa, o antrasis – sieros pagalba.

Purpuriniai mikrobų kilimėliai Hurono ežero centrinėje salos baseine, 2019 m. Birželio mėn. Tokius mažus kauburėlius ir „pirštus“ kilimėliuose sukelia po jais kylančios dujos, tokios kaip metanas ir vandenilio sulfidas. Kreditas: Phil Hartmeier, Noah Thunder Bay nacionalinis jūrų rezervatas

Siekdamos išgyventi, šios bakterijos kasdien šiek tiek šoka: nuo sutemų iki aušros sierą valgančios bakterijos guli ant melsvabakterių ir blokuoja jų prieigą prie saulės spindulių. Kai saulė kyla ryte, sieros valgytojai juda žemyn, o melsvadumbliai kyla į kilimėlio paviršių. „Dabar jie gali pradėti fotosintezę ir gaminti deguonį“, – paaiškino Klattas. „Tačiau užtrunka kelias valandas, kol jie tikrai prasideda, o ryte vėluojama ilgai. Atrodo, kad cianobakterijos atsibunda daug vėliau nei ryto žmonės.” Dėl to jų laikas fotosintezei yra ribotas tik kelias valandas kiekvieną dieną. Kai Mičigano universiteto fizikas okeanografas Brianas Arbeckas išgirdo apie šį mikrobų šokį, jis uždavė intriguojantį klausimą: „Ar tai gali reikšti, kad dienos trukmės keitimas gali turėti įtakos fotosintezei per Žemės istoriją?

Burbotas, esantis ant uolų, padengtų purpuriniais ir baltais mikrobų kilimėliais Hurono ežero centrinio salos kraterio viduje. Kreditas: Phil Hartmeier, Noah Thunder Bay nacionalinis jūrų rezervatas

Dienos trukmė Žemėje ne visada buvo 24 valandos. „Kai susiformavo Žemės-Mėnulio sistema, dienos buvo daug trumpesnės, galbūt net šešios valandos“,-aiškino Arbeckas. Tada mūsų planetos sukimasis sulėtėjo dėl mėnulio traukos ir potvynių trinties, o dienos padidėjo. Kai kurie tyrinėtojai taip pat teigia, kad sulėtėjęs Žemės sukimasis sustojo maždaug milijardą metų, sutapdamas su užsitęsusiu pasaulinio deguonies lygio mažėjimo laikotarpiu. Po šio pertraukimo, kai maždaug prieš 600 milijonų metų Žemės sukimasis vėl pradėjo lėtėti, įvyko dar vienas didelis pasaulinės deguonies koncentracijos pokytis.

Mikrobiologė Judith Clatt, buvusi Grego Dicko UM laboratorijos podoktorantūros tyrėja ir dabar Maxo Plancko jūrų mikrobiologijos institute, nubraukia mikrobų kilimėlį nuo nuosėdų šerdies, surinktos Hurono ežero centrinėje saloje, viršuje. Kreditas: Jim Erickson, Mičigano universiteto naujienos

Pastebėjęs stulbinantį panašumą tarp Žemės prisotinimo deguonimi modelio ir apyvartos geologiniais laiko mastais, Klattą sužavėjo mintis, kad tarp jų gali būti ryšys, kuris viršija „vėlyvą“ fotosintezę, stebimą Rytuose. salos upelis. „Supratau, kad dienos trukmė ir deguonies išsiskyrimas iš mikrobų kilimėlių yra susiję su labai pagrindine ir pagrindine koncepcija: per trumpas dienas nuolydžiams vystytis lieka mažiau laiko, todėl iš kilimėlių gali išeiti mažiau deguonies“, – teigė Klattas.

UM mikrobiologas ir okeanografas Gregas Dikas, kairysis, ir UM aplinkos inžinerijos absolventas Kirkas Olsenas tiria vieną iš nuosėdų šerdžių, surinktų iš centrinės salos smegduobės Hurono ežere. Šerdyse yra mikrobų kilimėlių pavyzdžių, kurie yra analogiški mikroorganizmų tipams, kurie Žemėje klestėjo prieš milijardus metų. Kreditas: Jim Erickson, Mičigano universiteto naujienos

Nuo bakterijų kilimėlių iki visuotinio deguonies

Klattas bendradarbiavo su Arjunu Chennu, kuris taip pat dirbo Maxo Plancko jūrų mikrobiologijos institute ir dabar vadovauja savo grupei Brėmeno Leibnico atogrąžų jūros tyrimų centre (ZMT). Remdamiesi „Chennu“ šiam tyrimui sukurta atviro kodo programine įranga, jie ištyrė, kaip saulės spindulių dinamika koreliuoja su deguonies išsiskyrimu iš kilimėlių. „Intuicija rodo, kad dvi 12 valandų dienos turėtų būti tokios pat kaip 24 valandų dienos. Saulės šviesa kyla ir krinta dvigubai greičiau, o deguonies gamyba vyksta tolygiu tempu. Tačiau deguonis iš bakterijų kilimėlių neatsiranda , nes jį riboja molekulinės difuzijos greitis „, – sakė jis. Chino:” Šis tikslus saulės spinduliuojamo deguonies atskyrimas yra mechanizmo esmė. „

Nardytojai sausais kostiumais ruošiasi įeiti į šaltus Hurono ežero vandenis, kad 2017 m. Rugsėjo mėn. Paimtų mikrobų kilimėlio pavyzdžius Centrinės salos baseine. iki ežero dugno, gali būti 40 -ojo Fahrenheito. Kreditas: Jim Erickson, Mičigano universiteto naujienos

Kad suprastų, kaip per vieną dieną vykstantys procesai gali ilgainiui paveikti deguonį, Klatt ir jos kolegos sujungė savo rezultatus su pasauliniais deguonies lygio modeliais. Analizė rodo, kad padidėjęs deguonies išsiskyrimas dėl dienos trukmės pasikeitimo galėjo padidinti deguonies kiekį visame pasaulyje. Tai ryšys tarp mikroorganizmų veiklos ir pasaulinių procesų. Mes siejame fizikos dėsnius, kurie veikia labai skirtingais lygiais – nuo molekulinės difuzijos iki planetinės mechanikos. Mes parodome, kad yra esminis ryšys tarp dienos trukmės ir deguonies kiekio, kurį Žemėje gyvenantys mikrobai gali išskirti, – sakė Chino. – Tai labai įdomu. Taip mes susiejame mikrobų kilimėlio molekulių šokį su mūsų planetos ir jos mėnulio šokiu “.

Rugsėjo mėn. Nardytojas nušoka nuo „R/V Storm“ laivagalio, prieš nusileisdamas į Centrinės salos kriauklės baseino dugną, esantį beveik už 80 pėdų. Kreditas: Jim Erickson, Mičigano universiteto naujienos

Apskritai, du pagrindiniai oksidaciniai įvykiai (deguonies koncentracijos šuoliai) Žemės istorijoje – didysis oksidacijos įvykis daugiau nei prieš 2 milijardus metų ir deguonies oksidacijos įvykis vėliau – gali būti susiję su padidėjusia dienos trukme. Taigi padidėjusi dienos trukmė galėjo pakelti grynąjį bentoso produktyvumą tiek, kad paveiktų deguonies kiekį atmosferoje. Klattas daro išvadą: „Manipuliavimas tokiu plačiu laiko ir erdvės mastų spektru buvo neįtikėtinas – ir labai smagus“.

Nuoroda: „Galimas ryšys tarp Žemės sukimosi greičio ir deguonies“ 2021 m. Rugpjūčio 2 d. gamtos žemės mokslai.
DOI: 10.1038 / s41561-021-00784-3