O aumento dos níveis de oxigênio no início da história da Terra pavimentou o caminho para a diversidade espetacular da vida animal. Mas por décadas, os cientistas têm se esforçado para explicar os fatores que controlam esse processo gradual e gradual, que se desenrolou ao longo de quase 2 bilhões de anos.

Agora, uma equipe de pesquisa internacional está propondo que o aumento da duração do dia na Terra primitiva - a rotação do jovem planeta diminuiu gradualmente ao longo do tempo, tornando os dias mais longos - pode ter aumentado a quantidade de oxigênio liberado por cianobactérias fotossintéticas, moldando assim o tempo de oxigenação da Terra.

Sua conclusão foi inspirada por um estudo das comunidades microbianas atuais que crescem sob condições extremas no fundo de um sumidouro submerso do Lago Huron, 80 pés abaixo da superfície da água. A água do Sinkhole da Ilha do Meio é rica em enxofre e pobre em oxigênio, e as bactérias de cores vivas que prosperam lá são consideradas bons análogos para os organismos unicelulares que formaram colônias semelhantes a esteira bilhões de anos atrás, atapetando superfícies terrestres e do fundo do mar.

Os pesquisadores mostram que dias mais longos aumentam a quantidade de oxigênio liberado pelas esteiras microbianas fotossintéticas. Essa descoberta, por sua vez, aponta para uma ligação anteriormente não considerada entre a história de oxigenação da Terra e sua taxa de rotação. Enquanto a Terra agora gira em torno de seu eixo uma vez a cada 24 horas, a duração do dia foi possivelmente tão curta quanto 6 horas durante a infância do planeta.

As descobertas da equipe estão programadas para publicação em 2 de agosto na revista Nature Geoscience .

Os principais autores são Judith Klatt do Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha e Arjun Chennu do Centro Leibniz de Pesquisa Marinha Tropical. Klatt é um ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório do geomicrobiologista Gregory Dick da Universidade de Michigan, que é um dos dois autores correspondentes do estudo. Os outros co-autores são da U-M e da Grand Valley State University.

"Uma questão persistente nas ciências da Terra é como a atmosfera da Terra obtém seu oxigênio, e quais fatores controlados quando esta oxigenação ocorreu, "Dick disse do convés do R / V Storm, um navio de pesquisa NOAA de 50 pés que transportou uma equipe de cientistas e mergulhadores em uma viagem de coleta de amostras na cidade de Alpena, Michigan, para o sumidouro da Ilha do Meio, várias milhas da costa.

"Nossa pesquisa sugere que a taxa na qual a Terra está girando - em outras palavras, a duração do dia - pode ter tido um efeito importante no padrão e no tempo de oxigenação da Terra, "disse Dick, um professor do Departamento de Ciências da Terra e Ambientais da U-M.

Os pesquisadores simularam a desaceleração gradual da taxa de rotação da Terra e mostraram que dias mais longos teriam aumentado a quantidade de oxigênio liberado pelos primeiros tapetes cianobacterianos de uma maneira que ajuda a explicar os dois grandes eventos de oxigenação do planeta.

O projeto começou quando o co-autor Brian Arbic, um oceanógrafo físico no Departamento de Ciências da Terra e Ambientais da U-M, ouviu uma palestra pública sobre o trabalho de Klatt e observou que as mudanças na duração do dia podem ter um papel importante, ao longo do tempo geológico, na história da fotossíntese que o laboratório de Dick estava desenvolvendo.

As cianobactérias têm uma má reputação hoje em dia porque são as principais culpadas pela proliferação de algas tóxicas e feias que assolam o Lago Erie e outros corpos d'água ao redor do mundo.

Mas esses micróbios, anteriormente conhecido como algas verde-azuladas, existem há bilhões de anos e foram os primeiros organismos a descobrir como capturar energia da luz solar e usá-la para produzir compostos orgânicos por meio da fotossíntese - liberando oxigênio como subproduto.

Atribui-se a massas desses organismos simples que vivem em mares primitivos a liberação de oxigênio que mais tarde permitiu o surgimento de animais multicelulares. O planeta foi lentamente transformado de um planeta com pequenas quantidades de oxigênio para os níveis atmosféricos atuais de cerca de 21%.

No Sinkhole da Ilha do Meio no Lago Huron, cianobactérias produtoras de oxigênio roxas competem com bactérias oxidantes de enxofre brancas que usam enxofre, não a luz do sol, como sua principal fonte de energia.

Em uma dança microbiana repetida diariamente no fundo do Middle Island Sinkhole, Películas de micróbios roxos e brancos manobram para se posicionar conforme o dia avança e as condições ambientais mudam lentamente. As bactérias brancas comedoras de enxofre cobrem fisicamente as cianobactérias roxas de manhã e à noite, bloqueando seu acesso à luz solar e impedindo-os de realizar a fotossíntese produtora de oxigênio.

Mas quando os níveis de luz solar aumentam para um limite crítico, as bactérias oxidantes de enxofre migram de volta para baixo das cianobactérias fotossintéticas, permitindo-lhes começar a produzir oxigênio.

A migração vertical de bactérias oxidantes de enxofre já foi observada antes. A novidade é que os autores do Nature Geoscience estudo são os primeiros a vincular esses movimentos microbianos, e as taxas resultantes de produção de oxigênio, para mudar a duração dos dias ao longo da história da Terra.

"Dois grupos de micróbios nas esteiras de Middle Island Sinkhole competem pela posição mais alta, com bactérias oxidantes de enxofre, às vezes sombreando as cianobactérias fotossinteticamente ativas, "Klatt disse durante o processamento de uma amostra de núcleo de tapetes microbianos Middle Island Sinkhole em um laboratório Alpena." É possível que um tipo semelhante de competição entre micróbios contribuiu para o atraso na produção de oxigênio na Terra primitiva. "

A chave para compreender a ligação proposta entre a mudança da duração do dia e a oxigenação da Terra é que dias mais longos estendem o período de luz da tarde, permitindo que as cianobactérias fotossintéticas gerem mais oxigênio.

"A ideia é que, com um dia menor e uma janela menor para condições de alta luminosidade à tarde, aquelas bactérias comedoras de enxofre brancas estariam no topo das bactérias fotossintéticas por grandes porções do dia, limitar a produção de oxigênio, "Dick disse enquanto o barco balançava em águas agitadas, atracado a algumas centenas de metros da Ilha do Meio.

Acredita-se que os atuais micróbios do Lago Huron sejam bons análogos para organismos antigos, em parte porque o ambiente extremo no fundo do Poço da Ilha do Meio provavelmente se assemelha às condições adversas que prevaleciam nos mares rasos da Terra primitiva.

Lago Huron é coberto por calcário de 400 milhões de anos, dolomita e rocha de gesso que se formaram a partir dos mares de água salgada que uma vez cobriram o continente. Hora extra, o movimento das águas subterrâneas dissolveu parte dessa rocha, formando cavernas e rachaduras que mais tarde desabaram para criar buracos terrestres e submersos perto de Alpena.

Frio, pobre em oxigênio, a água subterrânea rica em enxofre se infiltra no fundo do buraco do sumidouro de Middle Island, de 300 pés de diâmetro, hoje, afastando a maioria das plantas e animais, mas criando um lar ideal para certos micróbios especializados.

A equipe de Dick, em colaboração com o co-autor Bopaiah Biddanda do Instituto de Recursos Hídricos Annis na Grand Valley State University, tem estudado as esteiras microbianas no chão do Sinkhole de Middle Island por vários anos, usando uma variedade de técnicas. Com a ajuda de mergulhadores do Santuário Marinho Nacional de Thunder Bay da NOAA - que é mais conhecido por seus naufrágios, mas também abriga o Middle Island Sinkhole e vários outros como ele - os pesquisadores implantaram instrumentos no fundo do lago para estudar química e biologia lá.

Eles também trouxeram amostras de tapete para o laboratório para conduzir experimentos sob condições controladas.

Klatt formulou a hipótese de que a ligação entre a duração do dia e a liberação de oxigênio pode ser generalizada para qualquer ecossistema de esteira, com base na física do transporte de oxigênio. Ela se juntou a Chennu para conduzir estudos de modelagem detalhados para relacionar os processos de tapete microbiano aos padrões da escala da Terra em escalas de tempo geológicas.

Os estudos de modelagem revelaram que a duração do dia sim, na verdade, forma a liberação de oxigênio das esteiras.

"Simplesmente falando, há apenas menos tempo para o oxigênio sair do tapete em dias mais curtos, "Klatt disse.

Isso levou os pesquisadores a postular uma possível ligação entre a duração dos dias mais longos e o aumento dos níveis de oxigênio atmosférico. Os modelos mostram que este mecanismo proposto pode ajudar a explicar o padrão distinto de oxigenação da Terra, bem como a persistência de períodos de baixo oxigênio ao longo da maior parte da história do planeta.

Ao longo da maior parte da história da Terra, o oxigênio atmosférico estava escassamente disponível e acredita-se que tenha aumentado em duas grandes etapas. O Grande Evento de Oxidação ocorreu há cerca de 2,4 bilhões de anos e geralmente foi creditado às primeiras cianobactérias fotossintetizantes. Quase 2 bilhões de anos depois, uma segunda onda de oxigênio, conhecido como Evento de Oxigenação Neoproterozóico, ocorreu.

A taxa de rotação da Terra tem diminuído lentamente desde que o planeta se formou há cerca de 4,6 bilhões de anos devido ao puxão implacável da gravidade da lua, que cria atrito de maré.