Kể từ khi được hình thành cách đây khoảng 4,5 tỷ năm, vòng quay của Trái đất đã dần chậm lại, và kết quả là một ngày dần kéo dài hơn.
Mặc dù sự chậm lại của Trái đất không đáng chú ý trên thang thời gian của con người, nhưng nó đủ để tạo ra những thay đổi đáng kể theo từng giai đoạn lâu dài của Trái Đất. Theo một nghiên cứu mới được công bố, một trong những thay đổi đó có lẽ là quan trọng nhất: thời gian của một ngày kéo dài hơn làm tăng lượng oxy trong bầu khí quyển của Trái Đất.
Các tác giả nghiên cứu cho rằng khi ngày Trái Đất dài ra, tảo lam, được gọi là vi khuẩn lam, xuất hiện và sinh sôi cách đây khoảng 2,4 tỷ năm sẽ có thể tạo ra nhiều oxy hơn như một sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất.
Gregory Dick, nhà vi sinh vật học tại Đại học Michigan và là đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Một câu hỏi lâu dài trong các ngành khoa học Trái Đất là làm thế nào bầu khí quyển của Trái Đất lấy được oxy và những yếu tố nào được kiểm soát khi quá trình này diễn ra”.
Ông nói thêm: “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng tốc độ Trái Đất quay - hay nói cách khác là độ dài một ngày của nó - có thể có ảnh hưởng quan trọng đến mô hình và thời gian oxy hóa của Trái Đất”.
Ngày dài hơn giúp vi khuẩn tạo ra nhiều oxy hơn
Có hai thành phần chính trong câu chuyện này, thoạt nhìn, có vẻ như không liên quan nhiều đến nhau. Đầu tiên là vòng quay của Trái Đất đang chậm lại. Tốc độ quay của Trái Đất đang chậm lại do Mặt Trăng tác dụng lực hấp dẫn lên hành tinh. Khi Mặt Trăng dần rời xa Trái Đất, nó sẽ làm chậm tốc độ quay của hành tinh chúng ta theo một tốc độ mà ta không thể nhận thấy.
Nghiên cứu tìm ra rằng ngày của Trái Đất đang kéo dài thêm 1,8 mili giây mỗi thế kỷ. Trong thời kỳ sơ khai của hành tinh chúng ta, ngày có thể chỉ ngắn ngủi 6 giờ. Khoảng 1,4 tỷ năm trước, ngày dài chỉ 18 giờ.
Thành phần thứ hai là một quá trình được gọi là Sự kiện Ôxy hóa Lớn - khi vi khuẩn lam xuất hiện với số lượng lớn đến mức bầu khí quyển của Trái Đất đã trải qua sự gia tăng đáng kể lượng oxy trong khoảng từ 2,4 tỷ đến 2 tỷ năm trước.
Nếu không có hai thành phần này, các nhà khoa học nghĩ rằng sự sống như chúng ta biết đã không thể xuất hiện.
Một con cá nằm nghỉ trên tảng đá được bao phủ bởi thảm vi khuẩn màu tím và trắng bên trong Hố sụt Middle Island
Dưới hố sụt ở Middle Island giữa hồ Huron thuộc Michigan, có những thảm vi khuẩn tương tự như vi khuẩn lam gây ra Sự kiện Ôxy hóa Lớn. Dưới đáy, vi khuẩn lam màu tím tạo ra oxy thông qua quang hợp cạnh tranh với các vi khuẩn màu trắng chuyển hóa lưu huỳnh. Vào ban đêm, các vi khuẩn trắng nổi lên trên cùng của thảm vi sinh vật và tiêu thụ lưu huỳnh. Khi ngày tới và mặt trời mọc cao, vi khuẩn màu trắng rút lui và vi khuẩn lam tím vươn lên trên cùng.
Đồng tác giả nghiên cứu Judith Klatt cho biết: “Bây giờ chúng có thể bắt đầu quang hợp và sản xuất oxy. Tuy nhiên, phải mất vài giờ trước khi chúng thực sự bắt đầu, có vẻ như sẽ có một khoảng thời gian trễ vào buổi sáng. Vi khuẩn lam thường hoạt động muộn hơn con người vào buổi sáng."
Điều này có nghĩa là khoảng thời gian ban ngày mà vi khuẩn lam có thể tạo oxy là rất hạn chế - và chính thực tế này đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu tại Đại học Michigan. Họ tự hỏi liệu sự thay đổi độ dài ngày trong lịch sử Trái Đất có tác động đến quá trình quang hợp của vi khuẩn lam hay không.
Klatt cho biết: “Có thể một kiểu cạnh tranh tương tự giữa các vi khuẩn đã góp phần làm chậm quá trình sản xuất oxy trên Trái Đất sơ khai.”
Vi khuẩn lam sinh sôi ở biển Baltic,
Để kiểm tra giả thuyết này, nhóm của Klatt và Dick đã thực hiện các thí nghiệm và phép đo trên các vi khuẩn ở đáy hồ Michigan, cả trong môi trường tự nhiên và trong phòng thí nghiệm. Họ cũng tạo ra các mô hình dựa trên kết quả liên kết ánh sáng mặt trời với quá trình sản xuất oxy của vi khuẩn và quá trình sản xuất oxy của chúng với lịch sử Trái đất.
Arjun Chennu, một nhà khoa học hàng hải thuộc Trung tâm Hàng hải Nhiệt đới Leibniz ở Đức cho rằng: "Có thể bạn thấy rằng hai ngày 12 giờ tương tự như một ngày 24 giờ, nhưng việc giải phóng oxy từ thảm vi khuẩn thì không, bởi vì nó bị giới hạn bởi tốc độ khuếch tán phân tử”.
Những kết quả này được đưa vào các mô hình toàn cầu về nồng độ oxy và nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng thời gian kéo dài của ngày có liên quan đến sự gia tăng oxy của Trái Đất - không chỉ là Sự kiện Oxy hóa Lớn, mà còn là sự oxy hóa khí quyển thứ hai được gọi là Sự kiện Oxy Nguyên sinh xảy ra từ năm 550 đến 800 triệu năm trước.
Chennu nói: “Chúng tôi thấy rằng có mối liên hệ cơ bản giữa độ dài ngày và lượng oxy có thể được giải phóng bởi các vi sinh vật sống trên mặt đất. Điều đó khá thú vị. Bằng cách này, chúng tôi liên kết vũ điệu của các phân tử trong tấm thảm vi sinh vật với vũ điệu của hành tinh chúng ta và mặt trăng xoay quanh."