Ökningen av syrenivåer tidigt i jordens historia banade väg för den spektakulära mångfalden av djurliv. Men i decennier, forskare har kämpat för att förklara de faktorer som styrde denna gradvisa och stegvisa process, som utspelade sig under nästan 2 miljarder år.

Nu föreslår ett internationellt forskarlag att den ökande daglängden på den tidiga jorden – den unga planetens rotation saktade gradvis av med tiden, gör dagarna längre – kan ha ökat mängden syre som frigörs av fotosyntetiska cyanobakterier, formar därigenom tidpunkten för jordens syresättning.

Deras slutsats var inspirerad av en studie av dagens mikrobiella samhällen som växer under extrema förhållanden på botten av ett nedsänkt sänkhål i Lake Huron, 80 fot under vattenytan. Vattnet i Middle Island Sinkhole är rikt på svavel och låg på syre, och de färgglada bakterierna som trivs där anses vara bra analoger för de encelliga organismerna som bildade mattliknande kolonier för miljarder år sedan, mattor på både land- och havsbottenytor.

Forskarna visar att längre dagslängd ökar mängden syre som frigörs av fotosyntetiska mikrobiella mattor. Det fyndet, i tur och ordning, pekar på en tidigare oövervägd koppling mellan jordens syresättningshistoria och dess rotationshastighet. Medan jorden nu snurrar på sin axel en gång var 24:e timme, dygnslängden var möjligen så kort som 6 timmar under planetens barndom.

Teamets resultat är planerade att publiceras den 2 augusti i tidskriften Naturgeovetenskap .

Huvudförfattare är Judith Klatt från Max Planck Institute for Marine Microbiology och Arjun Chennu från Leibniz Center for Tropical Marine Research. Klatt är en före detta postdoktor i labbet vid University of Michigan geomikrobiolog Gregory Dick, som är en av studiens två motsvarande författare. De andra medförfattarna är från U-M och Grand Valley State University.

"En bestående fråga inom geovetenskapen har varit hur jordens atmosfär fick sitt syre, och vilka faktorer som styrde när denna syresättning ägde rum, " sa Dick från däcket på R/V Storm, ett 50-fots NOAA-forskningsfartyg som bar ett team av forskare och dykare på en provinsamlingsresa från staden Alpena, Michigan, till Middle Island Sinkhole, flera mil utanför kusten.

"Vår forskning tyder på att hastigheten med vilken jorden snurrar - med andra ord, dess dagslängd - kan ha haft en viktig effekt på mönstret och tidpunkten för jordens syresättning, sa Dick, professor vid U-M institutionen för geo- och miljövetenskap.

Forskarna simulerade den gradvisa nedgången av jordens rotationshastighet och visade att längre dagar skulle ha ökat mängden syre som frigörs av tidiga cyanobakteriella mattor på ett sätt som hjälper till att förklara planetens två stora syresättningshändelser.

Projektet började när medförfattaren Brian Arbic, en fysisk oceanograf vid UM Institutionen för jord- och miljövetenskap, hörde en offentlig föreläsning om Klatts arbete och noterade att förändringar i daglängd kunde spela en roll, över geologisk tid, i fotosyntesberättelsen som Dicks labb höll på att utveckla.

Cyanobakterier får en dålig rap nu för tiden eftersom de är huvudbovarna bakom de fula och giftiga algblomningarna som plågar Lake Erie och andra vattendrag runt om i världen.

Men dessa mikrober, tidigare känd som blågröna alger, har funnits i miljarder år och var de första organismerna att ta reda på hur man kan fånga energi från solljus och använda den för att producera organiska föreningar genom fotosyntes – frigöra syre som en biprodukt.

Massor av dessa enkla organismer som lever i urhaven tillskrivs släppandet av syre som senare möjliggjorde uppkomsten av flercelliga djur. Planeten förvandlades långsamt från en med försvinnande små mängder syre till dagens atmosfäriska nivåer på cirka 21 %.

Vid Middle Island Sinkhole i Lake Huron, lila syreproducerande cyanobakterier konkurrerar med vita svaveloxiderande bakterier som använder svavel, inte solljus, som deras huvudsakliga energikälla.

I en mikrobiell dans som upprepas dagligen på botten av Middle Island Sinkhole, filmiga ark av lila och vita mikrober kämpar för position under dagen och när miljöförhållandena sakta förändras. De vita svavelätande bakterierna täcker fysiskt de lila cyanobakterierna på morgonen och kvällen, blockerar deras tillgång till solljus och hindrar dem från att utföra syreproducerande fotosyntes.

Men när solljusnivåerna ökar till en kritisk tröskel, de svaveloxiderande bakterierna migrerar tillbaka ner under de fotosyntetiska cyanobakterierna, gör det möjligt för dem att börja producera syre.

Den vertikala migrationen av svaveloxiderande bakterier har observerats tidigare. Vad som är nytt är att författarna till Naturgeovetenskap studier är de första som kopplar samman dessa mikrobiella rörelser, och de resulterande hastigheterna för syreproduktion, till förändrad dagslängd genom jordens historia.

"Två grupper av mikrober i Middle Island Sinkhole-mattorna tävlar om den översta positionen, med svaveloxiderande bakterier som ibland skuggar de fotosyntetiskt aktiva cyanobakterierna, " sa Klatt när han bearbetade ett kärnprov från Middle Island Sinkhole mikrobiella mattor i ett Alpena-laboratorium. "Det är möjligt att en liknande typ av konkurrens mellan mikrober bidrog till förseningen i syreproduktionen på den tidiga jorden."

En nyckel till att förstå den föreslagna kopplingen mellan ändrad daglängd och jordens syresättning är att längre dagar förlänger eftermiddagens högljusperiod, gör att fotosyntetiska cyanobakterier kan dra ut mer syre.

"Tanken är att med en kortare daglängd och kortare fönster för höga ljusförhållanden på eftermiddagen, de vita svavelätande bakterierna skulle ligga ovanpå de fotosyntetiska bakterierna under större delar av dagen, begränsa syreproduktionen, " sa Dick när båten gungade på hackigt vatten, förtöjd ett par hundra meter från Middle Island.

Dagens Lake Huron-mikrober tros vara bra analoger för forntida organismer, delvis eftersom den extrema miljön på botten av Middle Island Sinkhole sannolikt liknar de svåra förhållanden som rådde i de grunda haven på den tidiga jorden.

Lake Huron är underliggande av 400 miljoner år gammal kalksten, berggrund av dolomit och gips som bildades från saltvattenhaven som en gång täckte kontinenten. Över tid, rörelsen av grundvatten löste upp en del av berggrunden, bildade grottor och sprickor som senare kollapsade för att skapa både på land och nedsänkta sänkhål nära Alpena.

Kall, syrefattig, svavelrikt grundvatten sipprar in i botten av den 300 fot i diameter Middle Island Sinkhole idag, driver bort de flesta växter och djur men skapar ett idealiskt hem för vissa specialiserade mikrober.

Dicks team, i samarbete med medförfattaren Bopaiah Biddanda från Annis Water Resources Institute vid Grand Valley State University, har studerat de mikrobiella mattorna på golvet i Middle Island Sinkhole i flera år, använda en mängd olika tekniker. Med hjälp av dykare från NOAA:s Thunder Bay National Marine Sanctuary – som är mest känd för sina skeppsvrak men också är hem till Middle Island Sinkhole och flera andra liknande det – satte forskarna ut instrument till sjöbotten för att studera kemi och biologi där.

De tog också matprover till labbet för att utföra experiment under kontrollerade förhållanden.

Klatt antog att kopplingen mellan daglängd och syrefrisättning kan generaliseras till ett givet mattekosystem, baserad på syretransportens fysik. Hon slog sig ihop med Chennu för att genomföra detaljerade modelleringsstudier för att relatera mikrobiella mattprocesser till jordskaliga mönster över geologiska tidsskalor.

Modelleringsstudierna visade att dagslängden gör, faktiskt, forma syreavgivning från mattorna.

"Helt enkelt talat, det finns bara mindre tid för syret att lämna mattan på kortare dagar, " sa Klatt.

Detta ledde till att forskarna ansåg ett möjligt samband mellan längre dagslängder och ökande syrenivåer i atmosfären. Modellerna visar att denna föreslagna mekanism kan hjälpa till att förklara det distinkta stegvisa mönstret för jordens syresättning, såväl som ihållande perioder med låg syrehalt genom större delen av planetens historia.

Under större delen av jordens historia, atmosfäriskt syre var endast sparsamt tillgängligt och tros ha ökat i två breda steg. Den stora oxidationshändelsen inträffade för cirka 2,4 miljarder år sedan och har i allmänhet krediterats till de tidigaste fotosyntetiserande cyanobakterierna. Nästan 2 miljarder år senare en andra ökning av syre, känd som Neoproterozoic Oxygenation Event, inträffade.

Jordens rotationshastighet har sakta minskat sedan planeten bildades för cirka 4,6 miljarder år sedan på grund av månens obevekliga dragkraft, vilket skapar tidvattenfriktion.