Een lange dag voor microben en het verschijnen van zuurstof op aarde.
Vrijwel alle zuurstof op aarde werd en wordt geproduceerd door fotosynthese, uitgevonden door micro-organismen, cyanobacteriën, toen onze planeet nog een onbewoonbare plaats was. Cyanobacteriën zijn meer dan 2,4 miljard jaar geleden geëvolueerd, maar de aarde is langzaam veranderd in de zuurstofrijke planeet die we vandaag kennen. “We begrijpen niet helemaal waarom het zo lang duurde en welke factoren de zuurstofvoorziening van de aarde regelen”, zei microbioloog Judith Clatt. “Maar toen ik matten van cyanobacteriën bestudeerde in het centrale eilandzwembad van Lake Huron in Michigan, die onder vroege aardachtige omstandigheden leven, kreeg ik een idee.”
Cyanobacteriën vertraging in opkomst
Clatt werkte met een team van onderzoekers aan Greg Dick van de Universiteit van Michigan. Het water in het Central Island Basin, waar grondwater uit de bodem van het meer sijpelt, is zeer zuurstofarm. “Het leven op de bodem van het meer is in wezen microbieel en dient als een werkende tegenhanger van de omstandigheden die al miljarden jaren op onze planeet heersen”, zegt Bobby Bedanda, een samenwerkende microbiële ecoloog van de Grand Valley State University. De microben daar zijn de paarse zuurstofproducerende cyanobacteriën die concurreren met de zwaveloxiderende witte bacteriën. De eerste wekt energie op met zonlicht, de tweede met behulp van zwavel.
Om te overleven, voeren deze bacteriën elke dag een dansje uit: van zonsondergang tot zonsopgang liggen zwaveletende bacteriën bovenop de cyanobacteriën en blokkeren ze hun toegang tot zonlicht. Als de zon ’s morgens opkomt, gaan de zwaveleters naar beneden en stijgen de cyanobacteriën naar de oppervlakte van de mat. “Ze kunnen nu beginnen met fotosynthese en zuurstof produceren”, legt Klatt uit. “Het duurt echter een paar uur voordat ze echt beginnen en er is een lange vertraging in de ochtend. Cyanobacteriën lijken veel later wakker te worden dan ochtendmensen.” Als gevolg hiervan is hun tijd voor fotosynthese beperkt tot slechts een paar uur per dag. Toen Brian Arbeck, een fysicus oceanograaf van de Universiteit van Michigan, hoorde over deze microbiële dans, stelde hij een intrigerende vraag: “Zou dit kunnen betekenen dat het veranderen van de lengte van de dag de fotosynthese in de geschiedenis van de aarde zou kunnen beïnvloeden?”
De lengte van een dag op aarde was niet altijd 24 uur. “Toen het Aarde-Maan-systeem werd gevormd, waren de dagen veel korter, misschien zelfs zes uur”, legt Arbeck uit. Toen vertraagde de rotatie van onze planeet door de aantrekkingskracht van de maan en de wrijving van de getijden, en de dagen namen toe. Sommige onderzoekers suggereren ook dat de vertraging van de rotatie van de aarde ongeveer een miljard jaar tot stilstand is gekomen, wat samenviel met een langdurige periode van dalende wereldwijde zuurstofniveaus. Na deze onderbreking, toen de rotatie van de aarde ongeveer 600 miljoen jaar geleden weer begon te vertragen, vond er opnieuw een grote verschuiving plaats in de wereldwijde zuurstofconcentraties.
Na de opvallende overeenkomst tussen het zuurstofpatroon van de aarde en de omzet op geologische tijdschalen te hebben opgemerkt, was Klatt geïntrigeerd door het idee dat er een verband tussen de twee zou kunnen zijn – een verband dat verder ging dan de “late” fotosynthese die in het oosten werd waargenomen. eiland stroom. “Ik realiseerde me dat de daglengte en de zuurstofafgifte van microbiële matten gerelateerd zijn aan een heel basaal en basaal concept: tijdens korte dagen is er minder tijd voor gradiënten om zich te ontwikkelen, en daarom kan er minder zuurstof uit de matten ontsnappen”, postuleerde Klatt.
Van bacteriematten tot universele zuurstof
Klatt werkte samen met Arjun Chennu, die ook werkte bij het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie en nu zijn eigen groep leidt in het Leibniz Tropical Sea Research Center (ZMT) in Bremen. Op basis van open source software die Chennu voor dit onderzoek ontwikkelde, onderzochten ze hoe de dynamiek van zonlicht correleert met het vrijkomen van zuurstof uit de matten. “Intuïtie suggereert dat twee dagen van 12 uur hetzelfde zouden moeten zijn als een dag van 24 uur. Zonlicht stijgt en daalt met twee keer de snelheid, en de zuurstofproductie volgt in een gestaag tempo. Maar de afgifte van zuurstof uit de bacteriematten vindt niet plaats , omdat het wordt beperkt door de snelheid van moleculaire diffusie,” zei hij. Chino: “Deze precieze scheiding van zuurstof uitgestraald door zonlicht vormt de kern van het mechanisme.”
Om te begrijpen hoe processen die op één dag plaatsvinden, op de lange termijn van invloed kunnen zijn op zuurstof, hebben Klatt en haar collega’s hun resultaten gecombineerd met wereldwijde modellen van zuurstofniveaus. De analyse suggereert dat de verhoogde afgifte van zuurstof als gevolg van de verandering in daglengte de zuurstofniveaus wereldwijd had kunnen verhogen. Het is een schakel tussen de activiteit van micro-organismen en mondiale processen. We brengen natuurkundige wetten in verband die op enorm verschillende niveaus werken, van moleculaire diffusie tot planetaire mechanica. We laten zien dat er een fundamenteel verband bestaat tussen de daglengte en de hoeveelheid zuurstof die microben die op aarde leven kunnen afgeven,” zei Chino. “Het is heel spannend. Zo relateren we de dans van de moleculen in de microbiële mat aan de dans van onze planeet en haar maan.”
Over het algemeen kunnen de twee belangrijkste oxidatieve gebeurtenissen (sprongen in zuurstofconcentratie) in de geschiedenis van de aarde – de Grote Oxidatie meer dan 2 miljard jaar geleden en de oxidatie van het zuurstofgehalte later – verband houden met de toegenomen daglengte. Vandaar dat een langere daglengte de netto benthische productiviteit voldoende had kunnen verhogen om de zuurstofniveaus in de lucht te beïnvloeden. Klatt concludeert: “Het manipuleren van zo’n breed scala aan temporele en ruimtelijke schalen was verbijsterend – en erg leuk.”
Referentie: “Een mogelijk verband tussen de rotatiesnelheid van de aarde en zuurstof” 2 augustus 2021, hier beschikbaar. natuurlijke aardwetenschappen.
DOI: 10.1038 / s41561-021-00784-3
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”