La transizione della Terra per ospitare permanentemente un’atmosfera ossigenata è stato frutto di un processo di arresto che ha richiesto 100 milioni di anni in più di quanto si credesse, secondo un nuovo studio:
Quando la Terra si è formata per la prima volta 4,5 miliardi di anni fa, l’atmosfera non conteneva quasi ossigeno. Ma 2,43 miliardi di anni fa, è successo qualcosa: i livelli di ossigeno hanno iniziato a salire, poi a diminuire, accompagnati da enormi cambiamenti climatici, comprese diverse glaciazioni che potrebbero aver coperto l’intero globo di ghiaccio. Le firme chimiche rinchiuse nelle rocce che si sono formate durante quest’era avevano suggerito che 2,32 miliardi di anni fa, l’ossigeno fosse una caratteristica permanente dell’atmosfera del pianeta. Ma un nuovo studio che approfondisce il periodo successivo a 2,32 miliardi di anni fa rileva che i livelli di ossigeno erano ancora in continuo aumento fino a 2,22 miliardi di anni fa, quando il pianeta ha finalmente raggiunto un punto di svolta permanente.
Questa nuova ricerca, pubblicata sulla rivista Nature il 29 marzo 2021, estende la durata di quello che gli scienziati chiamano il grande evento di ossidazione avvenuto per circa 100 milioni di anni fa. Potrebbe anche confermare il legame tra l’ossigenazione e le massicce oscillazioni climatiche. “Solo ora iniziamo a vedere la complessità di questo evento“, ha detto il coautore dello studio Andrey Bekker, geologo presso l’Università della California, Riverside. L’ossigeno creato nel Grande Evento di Ossidazione è stato prodotto da cianobatteri marini, un tipo di batterio che produce energia tramite la fotosintesi. Il principale sottoprodotto della fotosintesi è l’ossigeno, e alla fine i primi cianobatteri hanno prodotto abbastanza ossigeno per rifare per sempre la faccia del pianeta. La firma di questo cambiamento è visibile nelle rocce sedimentarie marine. In un’atmosfera priva di ossigeno, queste rocce contengono alcuni tipi di isotopi di zolfo. (Gli isotopi sono elementi con un numero variabile di neutroni nei loro nuclei.) Quando i picchi di ossigeno, questi isotopi di zolfo scompaiono perché le reazioni chimiche che lo creano non si verificano in presenza di ossigeno. Bekker ei suoi colleghi hanno studiato a lungo l’aspetto e la scomparsa di questi segnali di isotopi di zolfo. Loro e altri ricercatori avevano notato che l’aumento e la diminuzione dell’ossigeno nell’atmosfera sembravano seguire tre glaciazioni globali avvenute tra i 2,5 miliardi ed i 2,2 miliardi di anni fa. Ma stranamente, la quarta e ultima glaciazione in quel periodo non era stata collegata alle oscillazioni dei livelli di ossigeno atmosferico. I ricercatori erano perplessi, ha detto Bekker a WordsSideKick.com. “Perché abbiamo quattro eventi glaciali e tre di loro possono essere collegati e spiegati attraverso variazioni dell’ossigeno atmosferico, ma il quarto di essi è indipendente?” Per scoprirlo, i ricercatori hanno studiato rocce più giovani del Sud Africa. Queste rocce marine coprono la parte successiva del Grande Evento di ossidazione, dalle conseguenze della terza glaciazione fino a circa 2,2 miliardi di anni fa.
Hanno scoperto che dopo la terza glaciazione l’atmosfera era inizialmente priva di ossigeno, poi l’ossigeno è salito e poi è diminuito di nuovo. L’ossigeno è aumentato di nuovo 2,32 miliardi di anni fa, il punto in cui gli scienziati in precedenza pensavano che l’aumento fosse permanente. Ma nelle rocce più giovani, Bekker ei suoi colleghi hanno nuovamente rilevato un calo dei livelli di ossigeno. Questo calo coincise con la glaciazione finale, quella che in precedenza non era stata collegata ai cambiamenti atmosferici. “L’ossigeno atmosferico durante questo periodo iniziale era molto instabile ed è salito a livelli relativamente alti ed è sceso a livelli molto bassi”, ha detto Bekker. “Questo è qualcosa che non ci aspettavamo fino forse agli ultimi 4 o 5 anni [di ricerca]”.
Cianobatteri contro vulcani
I ricercatori stanno ancora cercando di capire cosa abbia causato tutte queste fluttuazioni, ma hanno alcune idee. Un fattore chiave è il metano, un gas a effetto serra più efficiente nell’intrappolare il calore rispetto all’anidride carbonica. Oggi, il metano svolge un piccolo ruolo nel riscaldamento globale rispetto all’anidride carbonica, perché il metano reagisce con l’ossigeno e scompare dall’atmosfera entro circa un decennio, mentre l’anidride carbonica si attacca per centinaia di anni. Ma quando c’era poco o nessun ossigeno nell’atmosfera, il metano è durato molto più a lungo e ha agito come un gas serra più importante. Quindi la sequenza di ossigenazione e cambiamento climatico probabilmente è andata in questo modo: i cianobatteri hanno iniziato a produrre ossigeno, che ha reagito con il metano nell’atmosfera in quel momento, lasciando dietro di sé solo anidride carbonica. Questa anidride carbonica non era abbastanza abbondante per compensare l’effetto di riscaldamento del metano perso, quindi il pianeta ha iniziato a raffreddarsi. I ghiacciai si espansero e la superficie del pianeta divenne ghiacciata e fredda.
Tuttavia, a salvare il pianeta da un congelamento profondo sono stati i vulcani subglaciali. L’attività vulcanica alla fine ha aumentato i livelli di anidride carbonica abbastanza in alto da riscaldare nuovamente il pianeta. E mentre la produzione di ossigeno è rimasta indietro negli oceani ricoperti di ghiaccio a causa dei cianobatteri che ricevevano meno luce solare, il metano dei vulcani e dei microrganismi ha ricominciato ad accumularsi nell’atmosfera, riscaldando ulteriormente le cose. Ma i livelli di anidride carbonica vulcanica hanno avuto un altro effetto importante. Quando l’anidride carbonica reagisce con l’acqua piovana, forma acido carbonico, che dissolve le rocce più rapidamente dell’acqua piovana a pH neutro. Questa più rapida erosione delle rocce porta più nutrienti come il fosforo negli oceani. Più di 2 miliardi di anni fa, un tale afflusso di nutrienti avrebbe portato i cianobatteri marini produttori di ossigeno in una frenesia produttiva, aumentando nuovamente i livelli di ossigeno atmosferico, riducendo il metano e ricominciando l’intero ciclo. Alla fine, un altro cambiamento geologico ha interrotto questo ciclo di ossigenazione-glaciazione. Il modello sembra essere terminato circa 2,2 miliardi di anni fa, quando il record della roccia indica un aumento del carbonio organico sepolto, il che suggerisce che gli organismi fotosintetici stavano vivendo un periodo di massimo splendore.
Nessuno sa esattamente cosa abbia innescato questo punto critico, anche se Bekker ei suoi colleghi ipotizzano che l’attività vulcanica in questo periodo possa aver fornito un nuovo afflusso di nutrienti agli oceani, dando finalmente ai cianobatteri tutto ciò di cui avevano bisogno per prosperare. A questo punto, ha detto Bekker, i livelli di ossigeno erano abbastanza alti da sopprimere in modo permanente l’influenza sovradimensionata del metano sul clima e l’anidride carbonica derivante dall’attività vulcanica e altre fonti sono diventate il gas serra dominante per mantenere caldo il pianeta. Ci sono molte altre sequenze rock di quest’epoca in tutto il mondo, ha detto Bekker, anche in Africa occidentale, Nord America, Brasile, Russia e Ucraina. Queste antiche rocce necessitano di ulteriori studi per rivelare come funzionavano i primi cicli di ossigenazione, ha detto, in particolare per capire come gli alti e bassi hanno influenzato la vita del pianeta.
