Sejak terbentuk sekitar 4,5 miliar tahun lalu, rotasi Bumi perlahan melambat. Akibatnya, durasi hari di Bumi semakin panjang.

Meskipun perlambatan Bumi ini tidak terasa dalam skala waktu manusia, dampaknya cukup signifikan selama jutaan tahun. Salah satu perubahan terbesar, setidaknya bagi kita, adalah hari yang semakin panjang ternyata terkait dengan oksigenasi atmosfer Bumi, berdasarkan penelitian tahun 2021.

Secara spesifik, alga biru-hijau (atau sianobakteri) yang muncul dan berkembang biak sekitar 2,4 miliar tahun lalu bisa menghasilkan lebih banyak oksigen sebagai produk sampingan metabolisme karena hari di Bumi semakin panjang.

“Pertanyaan abadi dalam ilmu Bumi adalah bagaimana atmosfer Bumi mendapatkan oksigennya, dan faktor apa yang mengontrol kapan oksigenasi ini terjadi,” jelas ahli mikrobiologi Gregory Dick dari University of Michigan pada tahun 2021.

“Penelitian kami menunjukkan bahwa kecepatan putaran Bumi – dengan kata lain, durasi harinya – mungkin memiliki efek penting pada pola dan waktu oksigenasi Bumi.”

Ada dua komponen utama dalam cerita ini yang, sekilas, tampaknya tidak banyak berhubungan. Yang pertama adalah putaran Bumi melambat.

Alasan putaran Bumi melambat adalah karena Bulan memberikan tarik gravitasi pada planet ini, yang menyebabkan perlambatan rotasi karena Bulan secara bertahap menjauh.

Kita tahu, berdasarkan catatan fosil, bahwa hari hanya berdurasi 18 jam 1,4 miliar tahun lalu, dan setengah jam lebih pendek dari hari ini 70 juta tahun lalu. Bukti menunjukkan bahwa kita mendapatkan 1,8 milidetik per abad.

Komponen kedua adalah sesuatu yang dikenal sebagai Peristiwa Oksidasi Besar (Great Oxidation Event) – ketika sianobakteri muncul dalam jumlah besar sehingga atmosfer Bumi mengalami peningkatan oksigen yang tajam dan signifikan.

Tanpa oksigenasi ini, para ilmuwan berpendapat kehidupan seperti yang kita kenal tidak akan bisa muncul; jadi, meskipun sianobakteri mungkin mendapat sedikit “pandangan sinis” hari ini, kita mungkin tidak akan ada di sini tanpa mereka.

Masih banyak yang belum kita ketahui tentang peristiwa ini, termasuk pertanyaan penting seperti mengapa itu terjadi pada saat itu dan bukan di waktu lain dalam sejarah Bumi.

Butuh para ilmuwan yang bekerja dengan mikroba sianobakteri untuk menghubungkan titik-titik ini. Di Middle Island Sinkhole di Danau Huron, ditemukan lapisan mikroba yang dianggap mirip dengan sianobakteri yang bertanggung jawab atas Peristiwa Oksidasi Besar.

Sianobakteri ungu yang menghasilkan oksigen melalui fotosintesis dan mikroba putih yang memetabolisme sulfur, bersaing dalam lapisan mikroba di dasar danau.

Pada malam hari, mikroba putih naik ke permukaan lapisan mikroba dan melakukan aktivitas “mengunyah” sulfur mereka. Saat siang tiba, dan Matahari cukup tinggi di langit, mikroba putih mundur dan sianobakteri ungu naik ke permukaan.

“Sekarang mereka bisa mulai berfotosintesis dan menghasilkan oksigen,” kata ahli geomikrobiologi Judith Klatt dari Max Planck Institute for Marine Microbiology di Jerman.

“Namun, butuh beberapa jam sebelum mereka benar-benar aktif, ada kelambatan panjang di pagi hari. Sianobakteri tampaknya lebih suka bangun siang daripada orang pagi.”

Ini berarti jendela siang hari di mana sianobakteri dapat memompa oksigen sangat terbatas – dan fakta inilah yang menarik perhatian ahli oseanografi Brian Arbic dari University of Michigan. Dia bertanya-tanya apakah perubahan durasi hari sepanjang sejarah Bumi berdampak pada fotosintesis.

“Kemungkinan jenis persaingan serupa antara mikroba berkontribusi pada keterlambatan produksi oksigen di Bumi awal,” jelas Klatt.

Untuk mendemonstrasikan hipotesis ini, tim melakukan eksperimen dan pengukuran pada mikroba, baik di lingkungan aslinya maupun di laboratorium. Mereka juga melakukan studi pemodelan rinci berdasarkan hasil mereka untuk menghubungkan sinar matahari dengan produksi oksigen mikroba, dan produksi oksigen mikroba dengan sejarah Bumi.

“Intuisi mengatakan bahwa dua hari 12 jam seharusnya mirip dengan satu hari 24 jam. Sinar matahari naik dan turun dua kali lebih cepat, dan produksi oksigen mengikutinya,” jelas ilmuwan kelautan Arjun Chennu dari Leibniz Centre for Tropical Marine Research di Jerman.

“Tetapi pelepasan oksigen dari lapisan bakteri tidak demikian, karena dibatasi oleh kecepatan difusi molekuler. Pemisahan halus pelepasan oksigen dari sinar matahari inilah yang menjadi inti mekanisme ini.”

Hasil ini dimasukkan ke dalam model global tingkat oksigen, dan tim menemukan bahwa hari yang semakin panjang terkait dengan peningkatan oksigen Bumi – tidak hanya Peristiwa Oksidasi Besar, tetapi juga oksigenasi atmosfer kedua lainnya yang disebut Peristiwa Oksigenasi Neoproterozoikum sekitar 550 hingga 800 juta tahun lalu.

“Kami menghubungkan hukum fisika yang beroperasi pada skala yang sangat berbeda, dari difusi molekuler hingga mekanika planet. Kami menunjukkan bahwa ada hubungan mendasar antara durasi hari dan berapa banyak oksigen yang dapat dilepaskan oleh mikroba yang hidup di dasar,” kata Chennu.

“Ini cukup menarik. Dengan cara ini kami menghubungkan tarian molekul dalam lapisan mikroba dengan tarian planet kita dan Bulannya.”

Penelitian ini telah diterbitkan di Nature Geoscience.

Versi sebelumnya dari artikel ini diterbitkan pada Agustus 2021.