한 잠수부가 Central Lake Huron Basin의 암석을 덮고 있는 보라색, 흰색, 녹색 미생물을 관찰하고 있습니다. 출처: Phil Hartmeier, Noah Thunder Bay 국립 해양 보호구
미생물과 지구에 산소의 출현에 대한 긴 하루.
실질적으로 지구상의 모든 산소는 지구가 아직 사람이 살 수 없는 곳이었을 때 미생물인 남세균에 의해 발명된 광합성에 의해 생성되고 생성됩니다. 남조류는 24억 년 전에 진화했지만 지구는 천천히 오늘날 우리가 알고 있는 산소가 풍부한 행성으로 변모했습니다. 미생물학자 Judith Clatt는 “우리는 왜 그렇게 오랜 시간이 걸렸는지 그리고 지구의 산소 공급을 조절하는 요인을 완전히 이해하지 못합니다.”라고 말했습니다. “하지만 초기 지구와 같은 조건에서 살고 있는 미시간 주 휴런 호수의 중앙 섬 풀에서 남조류 매트를 연구할 때 아이디어가 떠올랐습니다.”
지질학적 맥락을 보여주는 오대호 분지의 지도. 화살표와 빨간색 원은 Central Island 그룹을 포함하여 Huron 호수의 여러 잠긴 개울의 위치를 나타냅니다. 크레딧: Biddanda et al.의 그림. 2012, Nature Education Knowledge에 게재되었으며 원래 Granneman et al. 2000년
시아노박테리아 상승 지연
Clatt는 University of Michigan의 Greg Dick의 연구원 팀과 함께 일했습니다. 호수 바닥에서 지하수가 스며드는 Central Island Basin의 물은 산소 농도가 매우 낮습니다. “호수 바닥의 생명체는 본질적으로 미생물이며, 그들은 수십억 년 동안 지구를 지배해 온 조건에 대응하는 역할을 합니다.”라고 Grand Valley State University의 공동 미생물 생태학자인 Bobby Bedanda는 말합니다. 거기에 있는 미생물은 황을 산화시키는 백색 박테리아와 경쟁하는 보라색 산소 생성 남세균입니다. 전자는 햇빛으로 에너지를 생성하고 후자는 유황의 도움으로 에너지를 생성합니다.
2019년 6월 휴런 호수 중앙 섬 수영장의 보라색 미생물 매트. 매트에 있는 이와 같은 작은 둔덕과 “손가락”은 메탄 및 황화수소와 같은 가스가 그 아래에서 상승하여 발생합니다. 출처: Phil Hartmeier, Noah Thunder Bay National Marine Reserve
생존을 위해 이 박테리아는 매일 약간의 춤을 춥니다. 황혼에서 새벽까지 유황을 먹는 박테리아가 남조류 위에 누워 햇빛에 대한 접근을 차단합니다. 아침에 해가 뜨면 유황 포식자가 아래로 이동하고 남조류는 매트 표면으로 올라갑니다. “그들은 이제 광합성을 시작하고 산소를 생산할 수 있습니다.”라고 Klatt는 설명했습니다. “그러나 실제로 시작하려면 몇 시간이 걸리고 아침에는 긴 지연이 있습니다. 남조류는 아침 사람보다 훨씬 늦게 일어나는 것 같습니다.” 결과적으로 광합성을 위한 시간은 매일 몇 시간으로 제한됩니다. 미시간 대학의 물리학자인 해양학자인 Brian Arbeck은 이 미생물의 춤에 대해 들었을 때 흥미로운 질문을 했습니다. “이것은 하루의 길이를 변경하는 것이 지구의 역사에 걸쳐 광합성에 영향을 미칠 수 있다는 것을 의미할 수 있습니까?”
Huron 호수의 중앙 섬 분화구 내부에 보라색과 흰색 미생물 매트로 덮인 바위 위에서 쉬고 있는 Burbot. 출처: Phil Hartmeier, Noah Thunder Bay 국립 해양 보호구
지구에서 하루의 길이가 항상 24시간은 아니었습니다. Arbeck은 “지구-달 시스템이 형성되었을 때 낮이 훨씬 더 짧아서 아마도 6시간 정도였을 것”이라고 설명했습니다. 그 후 우리 행성의 자전은 달의 인력과 조석의 마찰로 인해 느려지고 날이 길어졌습니다. 일부 연구자들은 또한 지구 자전의 감속이 약 10억 년 동안 정체되어 지구 산소 수준이 장기간 감소하는 것과 일치한다고 제안합니다. 이 중단 후 약 6억 년 전에 지구의 자전이 다시 느려지기 시작했을 때 지구 산소 농도에 또 다른 주요 변화가 발생했습니다.
Greg Dick의 UM 연구소에서 박사 후 연구원으로 근무했으며 현재는 Max Planck 해양 미생물학 연구소에서 근무하고 있는 미생물학자 Judith Clatt는 Huron 호수의 Central Island Basin에서 수집된 퇴적물 코어 상단에서 미생물 매트를 긁고 있습니다. 크레딧: Jim Erickson, University of Michigan News
지질학적 시간 규모에서 지구의 산소화 패턴과 회전율 사이의 놀라운 유사성을 확인한 후 Klatt는 둘 사이에 연결이 있을 수 있다는 아이디어에 흥미를 느꼈습니다. 섬 스트림. Klatt는 “미생물 매트에서 나오는 낮의 길이와 산소 방출은 매우 기본적이고 기본적인 개념과 관련이 있다는 것을 깨달았습니다.
UM 미생물학자이자 해양학자인 Greg Dick(왼쪽)과 UM 환경 공학 졸업생인 Kirk Olsen이 Huron 호수의 Central Island 싱크홀에서 수집된 퇴적물 코어 중 하나를 조사하고 있습니다. 코어에는 수십억 년 전에 지구에서 번성했던 미생물 유형과 유사한 미생물 매트 샘플이 들어 있습니다. 출처: Jim Erickson, University of Michigan News
박테리아 매트에서 범용 산소까지
Klatt는 막스 플랑크 해양 미생물학 연구소에서 근무했으며 현재 브레멘의 라이프니츠 열대 해양 연구 센터(ZMT)에서 자신의 그룹을 이끌고 있는 Arjun Chennu와 협력했습니다. 이 연구를 위해 Chennu가 개발한 오픈 소스 소프트웨어를 기반으로 햇빛의 역학이 매트에서 산소 방출과 어떻게 관련되는지 조사했습니다. 직관은 12시간 2일이 24시간 1일과 같아야 한다고 제안합니다. 햇빛은 2배 빨리 오르락 내리락 하고, 산소 생산은 일정한 속도로 뒤따릅니다. 그러나 박테리아 매트에서 산소의 방출은 분자 확산 속도에 의해 제한되기 때문에 발생하지 않습니다. “햇빛에 의해 방출되는 산소의 이러한 정확한 분리는 메커니즘의 핵심입니다.”라고 Chino가 말했습니다.
드라이 슈트를 입은 스쿠버 다이버들이 2017년 9월 센트럴 아일랜드의 분지에서 미생물 매트 샘플을 수집하기 위해 휴런 호수의 차가운 물에 들어갈 준비를 합니다. 유황이 풍부하고 산소가 낮은 지하수가 스며드는 하천 바닥의 온도 호수 바닥까지 화씨 40도가 될 수 있습니다. 크레딧: Jim Erickson, University of Michigan News
하루에 일어나는 과정이 장기적으로 산소에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 이해하기 위해 Klatt와 그녀의 동료들은 그들의 결과를 산소 수준의 글로벌 모델과 결합했습니다. 분석은 낮의 길이 변화로 인한 증가된 산소 방출이 전 세계적으로 산소 수준을 높일 수 있음을 시사합니다. 이것은 미생물의 활동과 전체 과정 사이의 연결 고리입니다. 우리는 분자 확산에서 행성 역학에 이르기까지 매우 다른 수준에서 작동하는 물리 법칙을 연관시킵니다. 우리는 낮의 길이와 지구에 살고 있는 미생물이 방출할 수 있는 산소의 양 사이에 근본적인 연관성이 있음을 보여주고 있습니다.”라고 Chino는 말했습니다. “매우 흥미진진합니다. 이것이 우리가 미생물 매트에 있는 분자의 춤을 우리 행성과 달의 춤과 연관시키는 방법입니다.”
스쿠버 다이버가 2017년 9월에 거의 80피트 떨어진 센트럴 아일랜드 싱크 분지의 바닥으로 내려가기 전에 R/V 폭풍의 선미에서 뛰어내립니다. 출처: Jim Erickson, University of Michigan News
일반적으로 지구 역사상 두 가지 주요 산화 현상(산소 농도 급증)인 20억 년 전의 대산화 사건과 그 이후의 산화 사건은 낮의 길이가 늘어난 것과 관련이 있을 수 있습니다. 따라서 낮의 길이가 길어지면 대기 산소 수준에 영향을 줄 만큼 저서 생물의 순 생산성이 향상될 수 있습니다. Klatt는 “이렇게 넓은 범위의 시간 및 공간 척도를 조작하는 것은 상상을 초월할 정도로 재미있고 재미있습니다.”라고 결론지었습니다.
참조: “지구의 자전 속도와 산소 사이의 가능한 연결” 2021년 8월 2일, 여기에서 볼 수 있습니다. 자연 지구 과학.
DOI: 10.1038 / s41561-021-00784-3
