Кислород в земной атмосфере появился не сразу, точнее, какое-то количество его было, но дышать таким воздухом было нельзя. И в океанах тогда жили организмы, которые вполне обходились без кислорода. Тогдашние микробы были способны к фотосинтезу - то есть они умели синтезировать органические молекулы с помощью энергии света - но то был бескислородный фотосинтез: кислорода эти микробы не выделяли.

Колонии цианобактерий
© Specious Reasons / Flickr.com
Колонии цианобактерий
Но вот однажды некие цианобактерии научились кислородному фотосинтезу, и жизнь на Земле уже никогда не вернулась к прежней: атмосфера радикально изменилась, и те организмы, которые хорошо чувствовали себя в бескислородной атмосфере, были вынуждены уйти в подполье, уступив «кислородным» формам жизни. Произошло это около 2,3 млрд лет назад.

С другой стороны, уровень кислорода в атмосфере вырос не так уж быстро. Первые цианобактерии, способные к кислородному фотосинтезу, появились в морях и океанах около 3,5 млрд лет назад. И должно было пройти ещё около миллиарда лет, чтобы в горных породах появились следы кислорода, указывающие на то, что в атмосфере его стало достаточно много.

Почему кислород накапливался так долго? Возможно, он накапливался бы ещё дольше, если бы не случилось чего-то, что помогло цианобактериям изменить атмосферу. Сотрудники Института морской микробиологии Общества Макса Планка вместе с коллегами из Мичиганского университета полагают, что это «что-то» - замедление вращения Земли вокруг своей оси.

На самом деле известно, что сутки на Земле не всегда были одинаковы, и когда-то давным-давно молодая Земля крутилась вокруг своей оси намного быстрее, чем сейчас. Так, 4,5 млрд лет назад сутки длились всего 6 часов. Около 2,4 млрд лет из-за влияния Луны вращение Земли замедлилось, и сутки растянулись до 21 часа. Затем гравитационное взаимодействие Луны и Земли стабилизировалось, и в течение миллиарда лет сутки оставались постоянными. Но 700 млн лет назад Луна снова повлияла на Землю, и та замедлилась ещё немного - и сутки выросли до сегодняшних 24 часов.

Для фотосинтеза, как мы понимаем, нужен свет. Ещё в 2016 году было высказано предположение, что скачки кислорода в земной атмосфере соответствуют замедлениям Земли и увеличению светового дня. Действительно, первый раз кислорода стало больше как раз около 2,4 млрд лет назад - то была кислородная катастрофа. Но потом уровень кислорода увеличивался ещё пару раз, и эти увеличения по времени происходили примерно после того, как Земля начинала медленнее вращаться.

Сообщество цианобактерий (бактериальный мат) на дне озера Гурон
© Phil Hartmeyer / NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary
Сообщество цианобактерий (бактериальный мат) на дне озера Гурон
В статье в Nature Geoscience описаны эксперименты с современными цианобактериями, которые подтверждают связь кислородной катастрофы с увеличением земных суток. Цианобактерий для эксперимента взяли в озере Гурон: они живут здесь в таких местах, где, с одной стороны, достаточно света для фотосинтеза, а с другой стороны, в воде очень мало кислорода и много оксида серы, что отчасти напоминает дно доисторического океана. То есть цианобактерии из Гурона можно до какой-то степени считать похожими на тех, которые миллиарды лет назад начинали насыщать кислородом земную атмосферу. Сам по себе эксперимент был достаточно прост: цианобактерий перенесли в лабораторию, где им давали разное количество света, имитируя более короткие и более длинные сутки - и с более длинными «сутками» цианобактерии давали больше кислорода.

Правда, дело в том, что кислород нужен и самим цианобактериям, для их собственного метаболизма, для дыхания. Но по новым расчётам, добавочные дневные часы, появляющиеся при замедлении Земли, позволяли цианобактериям наработать избыток кислорода - избыток, который самим цианобактериям не был нужен и который уходил из бактериальных сообществ (или бактериальных матов) в окружающую воду, а из неё - в воздух.

Исследователи масштабировали лабораторные результаты на планету целиком. Как менялось содержание кислорода в атмосфере, известно по геологическим отложениям, и оказалось, что лабораторное повышение уровня кислорода соответствует его историческому накоплению: кислорода в атмосфере становилось больше одновременно с увеличением светового дня, и уровень его стабилизировался тоже вместе со световым днём.

Первые цианобактерии с кислородным фотосинтезом не могли поделиться кислородом с атмосферой: день был короток, и весь кислород, который они успевали насинтезировать, они тратили на собственные нужды. Но когда Земля замедлилась в первый раз и день сильно увеличился, в цианобактериальных матах появился лишний кислород для атмосферы.

Авторы работы рассматривали только те цианобактерии, которые сидят на морском дне и образуют плотные сложноустроенные колонии (те самые бактериальные маты). Другие исследователи полагают, что свою роль в создании кислородной атмосферы могли сыграть и свободноплавающие фотосинтетики.

С другой стороны, накоплению кислорода могли мешать вулканы, выбрасывающие огромное количество минералов, химически связывающих кислород. Эти и другие факторы следует учесть в итоговой модели, но вряд ли они кардинально изменят саму модель: видимо, древние микробы сумели насытить нашу атмосферу кислородом и впрямь только после того, как земной день стал длиннее.