De stijging van het zuurstofgehalte vroeg in de geschiedenis van de aarde maakte de weg vrij voor de spectaculaire diversiteit van het dierenleven. Maar decennia lang wetenschappers hebben geworsteld om de factoren te verklaren die dit geleidelijke en stapsgewijze proces beheersten, die zich over bijna 2 miljard jaar ontvouwde.

Nu stelt een internationaal onderzoeksteam voor dat toenemende daglengte op de vroege aarde - het draaien van de jonge planeet in de loop van de tijd geleidelijk vertraagde, waardoor de dagen langer worden - kan de hoeveelheid zuurstof die door fotosynthetische cyanobacteriën vrijkomt, hebben verhoogd, waardoor de timing van de zuurstofvoorziening van de aarde wordt gevormd.

Hun conclusie was geïnspireerd op een studie van hedendaagse microbiële gemeenschappen die onder extreme omstandigheden groeien op de bodem van een verzonken zinkgat in Lake Huron, 80 voet onder het wateroppervlak. Het water in de Middle Island Sinkhole is rijk aan zwavel en arm aan zuurstof, en de felgekleurde bacteriën die daar gedijen, worden beschouwd als goede analogen voor de eencellige organismen die miljarden jaren geleden matachtige kolonies vormden, tapijten van zowel land- als zeebodemoppervlakken.

De onderzoekers laten zien dat een langere daglengte de hoeveelheid zuurstof die vrijkomt door fotosynthetische microbiële matten verhoogt. die bevinding, beurtelings, wijst op een voorheen ondoordacht verband tussen de zuurstofgeschiedenis van de aarde en de rotatiesnelheid. Terwijl de aarde nu eenmaal per 24 uur om haar as draait, daglengte was mogelijk zo kort als 6 uur tijdens de kinderschoenen van de planeet.

De bevindingen van het team staan ​​gepland voor publicatie op 2 augustus in het tijdschrift Natuur Geowetenschappen .

Hoofdauteurs zijn Judith Klatt van het Max Planck Institute for Marine Microbiology en Arjun Chennu van het Leibniz Center for Tropical Marine Research. Klatt is een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van de geomicrobioloog Gregory Dick van de Universiteit van Michigan, wie is een van de twee corresponderende auteurs van de studie. De andere co-auteurs zijn van U-M en Grand Valley State University.

"Een blijvende vraag in de aardwetenschappen was hoe de atmosfeer van de aarde zijn zuurstof kreeg, en welke factoren bepaalden toen deze oxygenatie plaatsvond, " Dick zei vanaf het dek van de R/V Storm, een NOAA-onderzoeksschip van 50 voet dat een team van wetenschappers en duikers vervoerde op een reis om monsters te verzamelen vanuit de stad Alpena, Michigan, naar het zinkgat van het Midden-eiland, enkele mijlen uit de kust.

"Ons onderzoek suggereert dat de snelheid waarmee de aarde ronddraait - met andere woorden, de daglengte - kan een belangrijk effect hebben gehad op het patroon en de timing van de zuurstofvoorziening van de aarde, " zei Dik, een professor in de U-M afdeling Aard- en Milieuwetenschappen.

De onderzoekers simuleerden de geleidelijke vertraging van de rotatiesnelheid van de aarde en toonden aan dat langere dagen de hoeveelheid zuurstof die vrijkomt door vroege cyanobacteriële matten zou hebben verhoogd op een manier die de twee grote oxygenatiegebeurtenissen van de planeet helpt verklaren.

Het project begon toen co-auteur Brian Arbic, een fysisch oceanograaf in de UM-afdeling Aard- en Milieuwetenschappen, hoorde een openbare lezing over het werk van Klatt en merkte op dat veranderingen in daglengte een rol zouden kunnen spelen, in de geologische tijd, in het fotosyntheseverhaal dat Dick's lab aan het ontwikkelen was.

Cyanobacteriën krijgen tegenwoordig een slechte reputatie omdat ze de belangrijkste boosdoeners zijn achter de lelijke en giftige algenbloei die Lake Erie en andere waterlichamen over de hele wereld teisteren.

Maar deze microben, voorheen bekend als blauwalgen, bestaan ​​al miljarden jaren en waren de eerste organismen die erachter kwamen hoe ze energie uit zonlicht konden opvangen en deze konden gebruiken om organische verbindingen te produceren door middel van fotosynthese, waarbij zuurstof als bijproduct vrijkwam.

Massa's van deze eenvoudige organismen die in oerzeeën leven, worden gecrediteerd met het vrijgeven van zuurstof die later de opkomst van meercellige dieren mogelijk maakte. De planeet veranderde langzaam van een planeet met verwaarloosbaar kleine hoeveelheden zuurstof naar het huidige atmosferische niveau van ongeveer 21%.

Bij de Middle Island Sinkhole in Lake Huron, paarse zuurstofproducerende cyanobacteriën concurreren met witte zwaveloxiderende bacteriën die zwavel gebruiken, geen zonlicht, als hun belangrijkste energiebron.

In een microbiële dans die dagelijks wordt herhaald op de bodem van de Middle Island Sinkhole, filmachtige vellen van paarse en witte microben jockey voor positie naarmate de dag vordert en als de omgevingsomstandigheden langzaam verschuiven. De witte zwaveletende bacteriën bedekken de paarse cyanobacteriën 's morgens en' s avonds fysiek, hun toegang tot zonlicht blokkeren en voorkomen dat ze zuurstof producerende fotosynthese uitvoeren.

Maar wanneer het zonlichtniveau stijgt tot een kritieke drempel, de zwaveloxiderende bacteriën migreren terug naar beneden onder de fotosynthetische cyanobacteriën, waardoor ze zuurstof kunnen gaan produceren.

De verticale migratie van zwaveloxiderende bacteriën is eerder waargenomen. Nieuw is dat de auteurs van de Natuur Geowetenschappen studie zijn de eersten die deze microbiële bewegingen met elkaar in verband brengen, en de resulterende snelheden van zuurstofproductie, om de daglengte in de geschiedenis van de aarde te veranderen.

"Twee groepen microben in de Sinkhole-matten van het Midden-eiland strijden om de hoogste positie, met zwaveloxiderende bacteriën die soms de fotosynthetisch actieve cyanobacteriën in de schaduw stellen, " zei Klatt tijdens het verwerken van een kernmonster van microbiële matten van Middle Island Sinkhole in een Alpena-laboratorium. "Het is mogelijk dat een soortgelijk type concurrentie tussen microben heeft bijgedragen aan de vertraging in de zuurstofproductie op de vroege aarde."

Een sleutel tot het begrijpen van het voorgestelde verband tussen het veranderen van de daglengte en de zuurstofvoorziening van de aarde is dat langere dagen de middagperiode met veel licht verlengen, waardoor fotosynthetische cyanobacteriën meer zuurstof kunnen produceren.

"Het idee is dat met een kortere daglengte en kortere vensters voor omstandigheden met veel licht in de middag, die witte zwavel-etende bacteriën zouden voor grotere delen van de dag bovenop de fotosynthetische bacteriën zitten, beperking van de zuurstofproductie, " zei Dick terwijl de boot schommelde op woelig water, afgemeerd een paar honderd meter van Middle Island.

De huidige Lake Huron-microben worden verondersteld goede analogen te zijn voor oude organismen, deels omdat de extreme omgeving op de bodem van de Middle Island Sinkhole waarschijnlijk lijkt op de barre omstandigheden die heersten in de ondiepe zeeën van de vroege aarde.

Lake Huron is bedekt met 400 miljoen jaar oude kalksteen, dolomiet- en gipsbodem die gevormd is uit de zoutwaterzeeën die ooit het continent bedekten. Overuren, de beweging van het grondwater loste een deel van dat gesteente op, het vormen van grotten en scheuren die later instortten om zowel op het land als ondergedompelde zinkgaten in de buurt van Alpena te creëren.

Koud, zuurstofarm, zwavelrijk grondwater sijpelt vandaag in de bodem van de 300 voet diameter Middle Island Sinkhole, verdrijven de meeste planten en dieren, maar creëren een ideaal huis voor bepaalde gespecialiseerde microben.

Dicks team, in samenwerking met co-auteur Bopaiah Biddanda van het Annis Water Resources Institute aan de Grand Valley State University, bestudeert al enkele jaren de microbiële matten op de vloer van Middle Island Sinkhole, met behulp van verschillende technieken. Met de hulp van duikers van NOAA's Thunder Bay National Marine Sanctuary - dat vooral bekend staat om zijn scheepswrakken, maar ook de thuisbasis is van de Middle Island Sinkhole en verschillende andere soortgelijke - hebben de onderzoekers instrumenten ingezet op de bodem van het meer om de chemie en biologie te bestuderen daar.

Ze brachten ook matmonsters naar het laboratorium om onder gecontroleerde omstandigheden experimenten uit te voeren.

Klatt veronderstelde dat het verband tussen daglengte en zuurstofafgifte kan worden gegeneraliseerd naar een bepaald mat-ecosysteem, gebaseerd op de fysica van zuurstoftransport. Ze werkte samen met Chennu om gedetailleerde modelstudies uit te voeren om microbiële matprocessen te relateren aan patronen op aarde op geologische tijdschalen.

Uit de modelleringsstudies bleek dat de daglengte dat wel doet, in feite, vorm zuurstofafgifte uit de matten.

"Simpel gezegd, er is gewoon minder tijd voor de zuurstof om de mat te verlaten in kortere dagen, ' zei Klatt.

Dit bracht de onderzoekers ertoe om een ​​mogelijk verband te poneren tussen langere daglengtes en toenemende zuurstofniveaus in de lucht. De modellen laten zien dat dit voorgestelde mechanisme kan helpen bij het verklaren van het kenmerkende stapsgewijze patroon van de zuurstofvoorziening van de aarde, evenals het aanhouden van zuurstofarme perioden gedurende het grootste deel van de geschiedenis van de planeet.

Gedurende het grootste deel van de geschiedenis van de aarde, zuurstof in de lucht was slechts schaars beschikbaar en wordt verondersteld in twee brede stappen te zijn toegenomen. De grote oxidatiegebeurtenis vond ongeveer 2,4 miljard jaar geleden plaats en wordt over het algemeen toegeschreven aan de vroegste fotosynthetiserende cyanobacteriën. Bijna 2 miljard jaar later een tweede stijging van zuurstof, bekend als de Neoproterozoic Oxygenation Event, heeft plaatsgevonden.

De rotatiesnelheid van de aarde is langzaam afgenomen sinds de planeet ongeveer 4,6 miljard jaar geleden werd gevormd als gevolg van de meedogenloze ruk aan de zwaartekracht van de maan, waardoor getijdenwrijving ontstaat.