ขณะนี้ ทีมวิจัยนานาชาติกำลังเสนอว่าการเพิ่มความยาวของวันบนโลกยุคแรก การหมุนเวียนของดาวเคราะห์อายุน้อยค่อยๆ ช้าลงเมื่อเวลาผ่านไป ทำให้วันเวลายาวนานขึ้น อาจเพิ่มปริมาณออกซิเจนที่ปล่อยออกมาจากไซยาโนแบคทีเรียสังเคราะห์แสง ซึ่งจะทำให้กำหนดระยะเวลา ของออกซิเจนของโลก

ข้อสรุปของพวกเขาได้รับแรงบันดาลใจจากการศึกษาชุมชนจุลินทรีย์ในปัจจุบันที่เติบโตภายใต้สภาวะที่รุนแรงที่ด้านล่างของหลุมยุบในทะเลสาบ Huron ที่จมอยู่ใต้น้ำ 80 ฟุตใต้ผิวน้ำ น้ำในซิงโฮลเกาะกลางอุดมไปด้วยกำมะถันและมีออกซิเจนต่ำ และแบคทีเรียสีสดใสที่เจริญเติบโตที่นั่นถือเป็นสิ่งที่คล้ายคลึงกันสำหรับสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่สร้างอาณานิคมคล้ายเสื่อเมื่อหลายพันล้านปีก่อน ปูพรมทั้งบนบกและใต้ทะเล พื้นผิว

นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าวันที่ยาวนานขึ้นจะเพิ่มปริมาณออกซิเจนที่ปล่อยออกมาจากเสื่อจุลินทรีย์สังเคราะห์แสง ในทางกลับกัน การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นถึงความเชื่อมโยงที่ไม่เคยมีใครพิจารณามาก่อนระหว่างประวัติการให้ออกซิเจนของโลกกับอัตราการหมุนของโลก ในขณะที่โลกหมุนอยู่บนแกนของมันทุกๆ 24 ชั่วโมง ความยาวของวันอาจสั้นถึง 6 ชั่วโมงในช่วงวัยเด็กของดาวเคราะห์

ผลการวิจัยของทีมมีกำหนดเผยแพร่ในวันที่ 2 สิงหาคมในวารสาร Nature Geoscience

ผู้เขียนนำคือ Judith Klatt จาก Max Planck Institute for Marine Microbiology และ Arjun Chennu จาก Leibniz Center for Tropical Marine Research Klatt เป็นอดีตนักวิจัยดุษฎีบัณฑิตในห้องปฏิบัติการของ Gregory Dick นักธรณีวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยมิชิแกน ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้เขียนที่เกี่ยวข้องกันสองคนของการศึกษานี้ ผู้เขียนร่วมคนอื่นๆ มาจาก UM และ Grand Valley State University

"คำถามที่ยืนยงในวิทยาศาสตร์โลกคือชั้นบรรยากาศของโลกได้รับออกซิเจนมาได้อย่างไร และปัจจัยใดบ้างที่ควบคุมเมื่อออกซิเจนเกิดขึ้น" ดิ๊กกล่าวจากดาดฟ้าของ R/V Storm เรือวิจัย NOAA ขนาด 50 ฟุตที่บรรทุก ทีมนักวิทยาศาสตร์และนักประดาน้ำในการเดินทางเก็บตัวอย่างจากเมือง Alpena รัฐมิชิแกน ไปจนถึง Sinkhole เกาะกลาง ซึ่งอยู่ห่างจากชายฝั่งหลายไมล์

"งานวิจัยของเราชี้ให้เห็นว่าอัตราการหมุนของโลก กล่าวคือ ความยาววัน อาจส่งผลกระทบสำคัญต่อรูปแบบและจังหวะเวลาของออกซิเจนของโลก" ดิก ศาสตราจารย์ประจำภาควิชา UM กล่าว วิทยาศาสตร์โลกและสิ่งแวดล้อม.

นักวิจัยได้จำลองการชะลอตัวของอัตราการหมุนของโลกอย่างค่อยเป็นค่อยไปและแสดงให้เห็นว่าวันที่ยาวนานขึ้นจะช่วยเพิ่มปริมาณออกซิเจนที่ปล่อยออกมาจากเสื่อไซยาโนแบคทีเรียในยุคแรกในลักษณะที่ช่วยอธิบายเหตุการณ์ออกซิเจนสองครั้งที่ยิ่งใหญ่ของโลก

โครงการนี้เริ่มต้นขึ้นเมื่อ Brian Arbic ผู้เขียนร่วมซึ่งเป็นนักสมุทรศาสตร์กายภาพใน UM Department of Earth and Environmental Sciences ได้ยินการบรรยายสาธารณะเกี่ยวกับงานของ Klatt และตั้งข้อสังเกตว่าการเปลี่ยนแปลงความยาวของวันอาจมีบทบาทในเรื่องราวการสังเคราะห์ด้วยแสงในช่วงเวลาทางธรณีวิทยาว่า ห้องทดลองของดิ๊กกำลังพัฒนา

ไซยาโนแบคทีเรียได้รับการลงโทษที่ไม่ดีในทุกวันนี้ เนื่องจากพวกมันเป็นสาเหตุหลักที่อยู่เบื้องหลังบุปผาสาหร่ายที่ไม่น่าดูและมีพิษ ซึ่งทำให้เกิดโรคระบาดในทะเลสาบอีรีและแหล่งน้ำอื่นๆ ทั่วโลก

แต่จุลินทรีย์เหล่านี้ ซึ่งเดิมเรียกว่าสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน มีมาเป็นเวลาหลายพันล้านปีแล้ว และเป็นสิ่งมีชีวิตกลุ่มแรกที่ค้นพบวิธีจับพลังงานจากแสงแดด และใช้มันเพื่อผลิตสารประกอบอินทรีย์ผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง โดยปล่อยออกซิเจนเป็นผลพลอยได้

มวลของสิ่งมีชีวิตที่เรียบง่ายเหล่านี้ที่อาศัยอยู่ในทะเลดึกดำบรรพ์ได้รับการให้เครดิตกับการปล่อยออกซิเจนซึ่งภายหลังอนุญาตให้สัตว์หลายเซลล์เกิดขึ้นได้ ดาวเคราะห์ดวงนี้ค่อยๆ เปลี่ยนจากที่ที่มีออกซิเจนจำนวนเล็กน้อยที่หายไปเป็นระดับบรรยากาศในปัจจุบันที่ประมาณ 21%

ที่หลุมยุบเกาะกลางในทะเลสาบฮูรอน ไซยาโนแบคทีเรียที่ผลิตออกซิเจนสีม่วงจะแข่งขันกับแบคทีเรียที่ออกซิไดซ์กำมะถันสีขาวที่ใช้กำมะถันไม่ใช่แสงแดดเป็นแหล่งพลังงานหลัก

ในการเต้นรำของจุลินทรีย์ซ้ำทุกวันที่ก้น Sinkhole ของ Middle Island แผ่นฟิล์มของจุลินทรีย์สีม่วงและสีขาวสำหรับตำแหน่งเมื่อวันดำเนินไปและสภาพแวดล้อมจะค่อยๆเปลี่ยนไป แบคทีเรียที่กินกำมะถันสีขาวปกคลุมไซยาโนแบคทีเรียสีม่วงในช่วงเช้าและเย็น ปิดกั้นการเข้าถึงแสงแดดและป้องกันไม่ให้เกิดการสังเคราะห์ด้วยแสงที่ผลิตออกซิเจน

แต่เมื่อระดับแสงแดดเพิ่มขึ้นถึงระดับวิกฤต แบคทีเรียที่ออกซิไดซ์กำมะถันจะย้ายกลับลงมาด้านล่างของไซยาโนแบคทีเรียที่สังเคราะห์แสง ทำให้พวกเขาเริ่มผลิตออกซิเจนได้

มีการสังเกตการย้ายถิ่นของแบคทีเรียซัลเฟอร์ออกซิไดซ์ในแนวดิ่งมาก่อน มีอะไรใหม่คือผู้เขียนการศึกษา Nature Geoscience เป็นคนแรกที่เชื่อมโยงการเคลื่อนไหวของจุลินทรีย์เหล่านี้และอัตราการผลิตออกซิเจนที่เกิดขึ้นกับการเปลี่ยนแปลงความยาวของวันตลอดประวัติศาสตร์ของโลก

"จุลินทรีย์สองกลุ่มในเสื่อ Sinkhole ของ Middle Island แข่งขันกันเพื่อตำแหน่งบนสุด โดยแบคทีเรียที่มีกำมะถันออกซิไดซ์บางครั้งบังแสงไซยาโนแบคทีเรียที่สังเคราะห์แสง" Klatt กล่าวขณะประมวลผลตัวอย่างหลักจากเสื่อจุลินทรีย์ Middle Island Sinkhole ในห้องปฏิบัติการ Alpena "เป็นไปได้ว่าการแข่งขันประเภทเดียวกันระหว่างจุลินทรีย์มีส่วนทำให้เกิดความล่าช้าในการผลิตออกซิเจนในโลกยุคแรก"

กุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจความเชื่อมโยงที่เสนอระหว่างความยาวของวันที่เปลี่ยนแปลงและการให้ออกซิเจนของโลกคือการที่วันที่ยาวนานขึ้นจะขยายช่วงเวลาที่มีแสงจ้าในช่วงบ่ายออกไป ทำให้ไซยาโนแบคทีเรียที่สังเคราะห์แสงสามารถผลิตออกซิเจนได้มากขึ้น

"แนวคิดก็คือว่าด้วยช่วงกลางวันที่สั้นลงและหน้าต่างที่สั้นลงสำหรับสภาพแสงจ้าในตอนบ่าย แบคทีเรียที่กินกำมะถันสีขาวเหล่านี้จะอยู่ด้านบนของแบคทีเรียสังเคราะห์แสงสำหรับส่วนใหญ่ของวัน ซึ่งจำกัดการผลิตออกซิเจน" ดิ๊กกล่าว ขณะเรือแล่นไปตามกระแสน้ำ จอดห่างจากเกาะกลางสองสามร้อยหลา

เชื่อกันว่าจุลินทรีย์ในทะเลสาบฮูรอนในปัจจุบันนี้เปรียบเสมือนสิ่งที่คล้ายคลึงกันสำหรับสิ่งมีชีวิตโบราณ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะสภาพแวดล้อมสุดขั้วที่ด้านล่างของ Sinkhole ของเกาะกลางนั้นคล้ายคลึงกับสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยในทะเลตื้นของโลกยุคแรกๆ

ทะเลสาบฮูรอนอยู่ภายใต้หินปูน โดโลไมต์ และหินยิปซั่มอายุ 400 ล้านปีที่ก่อตัวขึ้นจากทะเลน้ำเค็มที่ครั้งหนึ่งเคยปกคลุมทวีป เมื่อเวลาผ่านไป การเคลื่อนตัวของน้ำใต้ดินได้ละลายพื้นหินบางส่วนนั้น ก่อตัวเป็นถ้ำและรอยแตกที่ต่อมาพังทลายลงจนเกิดเป็นหลุมยุบทั้งบนบกและที่จมอยู่ใต้น้ำใกล้กับอัลเพนา

น้ำบาดาลที่เย็นเฉียบขาดออกซิเจนและอุดมด้วยกำมะถันซึมลงสู่ก้นอ่าง Middle Island ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 ฟุตในปัจจุบัน ซึ่งขับไล่พืชและสัตว์ส่วนใหญ่ออกไป แต่สร้างบ้านในอุดมคติสำหรับจุลินทรีย์เฉพาะทางบางชนิด

ทีมของดิ๊กร่วมกับผู้เขียนร่วม Bopaiah Biddanda จากสถาบันทรัพยากรน้ำ Annis ที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐ Grand Valley ได้ทำการศึกษาเสื่อจุลินทรีย์บนพื้น Middle Island Sinkhole เป็นเวลาหลายปีโดยใช้เทคนิคที่หลากหลาย ด้วยความช่วยเหลือของนักดำน้ำลึกจากเขตรักษาพันธุ์สัตว์น้ำแห่งชาติธันเดอร์เบย์ของ NOAA ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีจากซากเรืออับปาง แต่ยังเป็นที่ตั้งของ Sinkhole เกาะกลางและอีกหลายแห่งที่คล้ายคลึงกัน นักวิจัยได้นำเครื่องมือไปที่พื้นทะเลสาบเพื่อศึกษาเคมี และชีววิทยาที่นั่น

พวกเขายังนำตัวอย่างเสื่อไปที่ห้องปฏิบัติการเพื่อทำการทดลองภายใต้สภาวะควบคุม

Klatt ตั้งสมมติฐานว่าความเชื่อมโยงระหว่างความยาวของวันกับการปล่อยออกซิเจนนั้นสามารถสรุปได้ทั่วไปกับระบบนิเวศของเสื่อใดๆ โดยอิงจากฟิสิกส์ของการขนส่งออกซิเจน เธอร่วมมือกับ Chennu เพื่อทำการศึกษาแบบจำลองอย่างละเอียดเพื่อเชื่อมโยงกระบวนการของจุลินทรีย์กับรูปแบบของขนาดโลกในช่วงเวลาทางธรณีวิทยา

จากการศึกษาแบบจำลองพบว่า ความยาวของวัน ทำให้เกิดการปล่อยออกซิเจนจากเสื่อ

"พูดง่ายๆ ก็คือมีเวลาน้อยลงสำหรับออกซิเจนที่จะออกจากเสื่อในเวลาที่สั้นลง" Klatt กล่าว

สิ่งนี้ทำให้นักวิจัยเชื่อมโยงระหว่างความยาววันที่ยาวนานขึ้นกับระดับออกซิเจนในบรรยากาศที่เพิ่มขึ้น แบบจำลองแสดงให้เห็นว่ากลไกที่เสนอนี้อาจช่วยอธิบายรูปแบบขั้นตอนที่โดดเด่นของการเติมออกซิเจนของโลก รวมถึงการคงอยู่ของช่วงออกซิเจนต่ำตลอดประวัติศาสตร์ส่วนใหญ่ของโลก

ตลอดประวัติศาสตร์ส่วนใหญ่ของโลก ออกซิเจนในบรรยากาศมีอยู่เพียงเล็กน้อยเท่านั้น และเชื่อกันว่าจะเพิ่มขึ้นในสองขั้นตอนกว้างๆ เหตุการณ์ Great Oxidation เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 2.4 พันล้านปีก่อน และโดยทั่วไปได้รับการยกย่องว่าเป็นไซยาโนแบคทีเรียที่สังเคราะห์แสงได้เร็วที่สุด เกือบ 2 พันล้านปีต่อมา มีออกซิเจนเพิ่มขึ้นเป็นครั้งที่สอง หรือที่เรียกว่า Neoproterozoic Oxygenation Event

อัตราการหมุนของโลกลดลงอย่างช้าๆ นับตั้งแต่ดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นเมื่อประมาณ 4.6 พันล้านปีก่อน เนื่องจากการดึงแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์อย่างไม่หยุดยั้ง ซึ่งทำให้เกิดการเสียดสีของคลื่น

การศึกษาได้รับทุนจากทุนสนับสนุนจาก National Science Foundation, Max Planck Society และ University of Michigan Turner Fellowship ปฏิบัติการภาคสนามได้รับการสนับสนุนโดยห้องปฏิบัติการวิจัยสิ่งแวดล้อม NOAA Great Lakes และเขตรักษาพันธุ์สัตว์น้ำแห่งชาติ Thunder Bay ของ NOAA