Lake Huron synkehul overraskelse:Stigningen af ​​ilt på den tidlige jord forbundet med ændret planetarisk rotation

Stigningen af ​​iltniveauer tidligt i Jordens historie banede vejen for den spektakulære mangfoldighed af dyreliv. Men i årtier, forskere har kæmpet for at forklare de faktorer, der styrede denne gradvise og trinvise proces, som udspillede sig over næsten 2 milliarder år.

Nu foreslår et internationalt forskerhold, at stigende dagslængde på den tidlige jord - spinningen af ​​den unge planet gradvist aftog over tid, gør dagene længere - kan have øget mængden af ​​ilt frigivet af fotosyntetiske cyanobakterier, derved forme tidspunktet for Jordens iltning.

Deres konklusion blev inspireret af en undersøgelse af nutidens mikrobielle samfund, der vokser under ekstreme forhold i bunden af ​​et nedsænket sø Huron-synkehul, 80 fod under vandets overflade. Vandet i Middle Island Sinkhole er rig på svovl og lavt iltindhold, og de farvestrålende bakterier, der trives der, betragtes som gode analoger til de encellede organismer, der dannede måttelignende kolonier for milliarder af år siden, tæpper både land- og havbundsoverflader.

Forskerne viser, at længere daglængde øger mængden af ​​ilt, der frigives af fotosyntetiske mikrobielle måtter. Det fund, på tur, peger på en tidligere uovervejet forbindelse mellem Jordens iltningshistorie og dens rotationshastighed. Mens Jorden nu snurrer på sin akse en gang hver 24. time, dagslængde var muligvis så kort som 6 timer under planetens barndom.

Holdets resultater er planlagt til offentliggørelse 2. august i tidsskriftet Naturgeovidenskab .

Hovedforfattere er Judith Klatt fra Max Planck Institute for Marine Microbiology og Arjun Chennu fra Leibniz Center for Tropical Marine Research. Klatt er en tidligere postdoktor i laboratoriet ved University of Michigan geomikrobiolog Gregory Dick, som er en af ​​undersøgelsens to tilsvarende forfattere. De andre medforfattere er fra UM og Grand Valley State University.

"Et varigt spørgsmål i jordvidenskaben har været, hvordan fik Jordens atmosfære sin ilt, og hvilke faktorer styrede, hvornår denne iltning fandt sted, "Dick sagde fra dækket af R/V Storm, et 50 fods NOAA forskningsfartøj, der transporterede et team af forskere og scuba dykkere på en prøveindsamlingstur fra byen Alpena, Michigan, til Mellemøens Sinkhul, flere miles offshore.

"Vores forskning tyder på, at den hastighed, hvormed Jorden snurrer - med andre ord, dens dagslængde - kan have haft en vigtig effekt på mønsteret og tidspunktet for Jordens iltning, "sagde Dick, professor i U-M Institut for Jord- og Miljøvidenskab.

Forskerne simulerede den gradvise afmatning af Jordens rotationshastighed og viste, at længere dage ville have øget mængden af ​​ilt frigivet af tidlige cyanobakterielle måtter på en måde, der hjælper med at forklare planetens to store iltningshændelser.

Projektet begyndte, da medforfatter Brian Arbic, en fysisk oceanograf i UM Institut for Jord- og Miljøvidenskab, hørte et offentligt foredrag om Klatts arbejde og bemærkede, at ændringer i dagslængde kunne spille en rolle, over geologisk tid, i fotosyntese -historien, som Dick's lab udviklede.

Cyanobakterier får en dårlig rap i disse dage, fordi de er de vigtigste syndere bag de grimme og giftige algblomster, der plager Erie -søen og andre vandområder rundt om i verden.

Men disse mikrober, tidligere kendt som blågrønalger, har eksisteret i milliarder af år og var de første organismer til at finde ud af, hvordan de kunne fange energi fra sollys og bruge det til at producere organiske forbindelser gennem fotosyntese - frigive ilt som et biprodukt.

Masser af disse simple organismer, der lever i urhav, krediteres med frigivelse af ilt, der senere tillod fremkomsten af ​​flercellede dyr. Planeten blev langsomt omdannet fra en med forsvindende små mængder ilt til nutidens atmosfæriske niveau på omkring 21%.

Ved Sinkhole på Mellemøen i Huron -søen, lilla iltproducerende cyanobakterier konkurrerer med hvide svovloxiderende bakterier, der bruger svovl, ikke sollys, som deres vigtigste energikilde.

I en mikrobiel dans, der gentages dagligt i bunden af ​​Middle Island Sinkhole, filmagtige plader af lilla og hvide mikrober jockey til position som dagen skrider frem, og når miljøforholdene langsomt skifter. De hvide svovlspisende bakterier dækker fysisk de lilla cyanobakterier om morgenen og aftenen, blokerer deres adgang til sollys og forhindrer dem i at udføre iltproducerende fotosyntese.

Men når sollysniveauer stiger til en kritisk tærskel, de svovloxiderende bakterier vandrer tilbage ned under de fotosyntetiske cyanobakterier, gør dem i stand til at begynde at producere ilt.

Den lodrette migration af svovloxiderende bakterier er blevet observeret før. Det nye er, at forfatterne til Naturgeovidenskab undersøgelse er de første til at forbinde disse mikrobielle bevægelser, og de resulterende hastigheder for iltproduktion, til skiftende dagslængde gennem Jordens historie.

"To grupper af mikrober i Middle Island Sinkhole måtter konkurrerer om den øverste position, med svovloxiderende bakterier, der undertiden skygger for de fotosyntetisk aktive cyanobakterier, "Sagde Klatt under behandlingen af ​​en kerneprøve fra Middle Island Sinkhole mikrobielle måtter i et Alpena -laboratorium." Det er muligt, at en lignende form for konkurrence mellem mikrober bidrog til forsinkelsen i iltproduktionen på den tidlige jord. "

En nøgle til at forstå den foreslåede forbindelse mellem ændring af daglængde og Jordens iltning er, at længere dage forlænger eftermiddagens højlysperiode, gør det muligt for fotosyntetiske cyanobakterier at skrue mere ilt ud.

"Ideen er, at med en kortere dagslængde og et kortere vindue til højlysforhold om eftermiddagen, de hvide svovlspisende bakterier ville være oven på de fotosyntetiske bakterier i større dele af dagen, begrænsning af iltproduktion, "Sagde Dick, mens båden gyngede på urolige farvande, fortøjet et par hundrede meter fra Middle Island.

De nuværende Lake Huron-mikrober menes at være gode analoger til gamle organismer til dels, fordi det ekstreme miljø i bunden af ​​Middle Island Sinkhole sandsynligvis ligner de barske forhold, der herskede i de lavvandede hav på den tidlige jord.

Lake Huron er underlagt af 400 millioner år gammel kalksten, dolomit- og gipsberggrund, der dannedes fra saltvandshavene, der engang dækkede kontinentet. Over tid, bevægelsen af ​​grundvand opløste noget af grundfjeldet, danne huler og revner, der senere kollapsede for at skabe både på land og nedsænket synkehuller nær Alpena.

Kold, iltfattig, svovlholdigt grundvand siver ned i bunden af ​​det 300 fods store ø i Sinkhul i dag, driver de fleste planter og dyr væk, men skaber et ideelt hjem for visse specialiserede mikrober.

Dicks team, i samarbejde med medforfatter Bopaiah Biddanda fra Annis Water Resources Institute ved Grand Valley State University, har studeret de mikrobielle måtter på gulvet i Middle Island Sinkhole i flere år, ved hjælp af en række forskellige teknikker. Ved hjælp af dykkere fra NOAA's Thunder Bay National Marine Sanctuary - som er bedst kendt for sine skibsvrag, men også er hjemsted for Middle Island Sinkhole og flere andre som det - indsatte forskerne instrumenter på søbunden for at studere kemi og biologi der.

De bragte også måtteprøver til laboratoriet for at udføre eksperimenter under kontrollerede forhold.

Klatt antog, at koblingen mellem daglængde og iltfrigivelse kan generaliseres til ethvert givet matøkosystem, baseret på iltransportens fysik. Hun gik sammen med Chennu om at udføre detaljerede modelleringsundersøgelser for at relatere mikrobielle matprocesser til mønstre i jordskala over geologiske tidsskalaer.

Modellestudierne afslørede, at daglængden gør, faktisk, form iltfrigivelse fra måtterne.

"Simpelthen sagt, der er bare mindre tid for ilt til at forlade måtten på kortere dage, "Sagde Klatt.

Dette fik forskerne til at opstille en mulig forbindelse mellem længere daglængder og stigende atmosfæriske iltniveauer. Modellerne viser, at denne foreslåede mekanisme kan hjælpe med at forklare det karakteristiske trinvise mønster af Jordens iltning, samt vedvarende perioder med lavt iltindhold gennem det meste af planetens historie.

Gennem det meste af Jordens historie, atmosfærisk ilt var kun sparsomt tilgængeligt og menes at være steget i to brede trin. Den store oxidationshændelse fandt sted for omkring 2,4 milliarder år siden og er generelt blevet krediteret de tidligste fotosyntetiserende cyanobakterier. Næsten 2 milliarder år senere en anden stigning i ilt, kendt som Neoproterozoic Oxygenation Event, fandt sted.

Jordens rotationshastighed har været langsomt faldende, siden planeten blev dannet for omkring 4,6 milliarder år siden på grund af den ubarmhjertige slæbning af månens tyngdekraft, hvilket skaber tidevandsfriktion.