Nuova teoria sull’aumento dell’ossigeno nell’atmosfera terrestre primordiale

L’aumento dei livelli di ossigeno all’inizio della storia della Terra è stata la spinta per la nascita e lo sviluppo della spettacolare diversità della vita animale sul nostro Pianeta. Per decenni gli scienziati hanno lottato per cercare di comprendere quali siano stati i fattori che hanno guidato questo processo avvenuto gradualmente in quasi 2 miliardi di anni.

La risposta potrebbe forse giungere dallo studio di un team di ricerca internazionale che ha avanzato una nuova teoria al riguardo. Dalla loro ricerca infatti è emerso che l’aumento della lunghezza del giorno sulla Terra primordiale, dovuta al graduale rallentamento della rotazione del giovane pianeta, potrebbe aver aumentato la quantità di ossigeno rilasciata dai cianobatteri fotosintetici, facendo così aumentare la quantità di ossigeno della Terra.

Il rapporto tra batteri e produzione di ossigeno

La loro conclusione è stata ispirata da uno studio sulle comunità microbiche che crescono in condizioni estreme sul fondo di una dolina sommersa del Lago Huron, a 24 metri sotto la superficie dell’acqua.

L’acqua nella Middle Island Sinkhole è ricca di zolfo e povera di ossigeno, e i batteri dai colori vivaci che vi prosperano sono considerati buoni analoghi per gli organismi unicellulari vissuti miliardi di anni fa, tappezzando sia la terra che il fondo marino.

Secondo i ricercatori una maggiore durata del giorno, aumenta la quantità di ossigeno rilasciata dai biofilm microbici fotosintetici. Questa scoperta, a sua volta, indica un legame precedentemente non considerato tra la storia dell’ossigenazione della Terra e la sua velocità di rotazione, responsabile della durata del giorno. Mentre oggi la Terra compie un giro ogni 24 ore, quando il Pianeta era appena nato, era forse di appena 6 ore.

Nel lago Huron come nel giovane Pianeta Terra

Il geomicrobiologo Gregory Dick professore presso il Dipartimento di UM della Terra e Scienze Ambientali, nonché coautore dello studio, afferma che la “ricerca suggerisce che la velocità con cui la Terra ruota, in altre parole la lunghezza del giorno, potrebbe aver avuto un effetto importante sul modello e sui tempi dell’ossigenazione della Terra”.

I ricercatori hanno simulato il graduale rallentamento della velocità di rotazione della Terra e hanno dimostrato che giorni più lunghi avrebbero aumentato la quantità di ossigeno rilasciata dai primi biofilm cianobatterici in un modo che aiuta a spiegare i due grandi eventi di ossigenazione del Pianeta.

Nel Middle Island Sinkhole, nel Lago Huron, i cianobatteri viola, produttori di ossigeno, competono con i batteri bianchi ossidanti dello zolfo, che utilizzano appunto lo zolfo, e non la luce solare, come principale fonte di energia.

La competizione tra batteri e la produzione di ossigeno

In una danza microbica ripetuta giornalmente i microbi viola e bianchi si contendono un posto in prima fila man mano che la giornata avanza e le condizioni ambientali cambiano lentamente. I batteri bianchi coprono fisicamente i cianobatteri viola al mattino e alla sera, bloccando loro l’accesso alla luce solare e impedendo loro di svolgere la fotosintesi che produce ossigeno. Ma quando i livelli di luce solare raggiungono una soglia critica, i batteri bianchi migrano di nuovo al di sotto dei cianobatteri fotosintetici, consentendo loro di iniziare a produrre ossigeno.

Questo processo migratorio dei batteri era già noto, la novità è che questo aspetto è stato per la prima volta collegato al cambiamento della lunghezza del giorno nel corso della storia della Terra.

Come spiega infatti Judith Klatt del Max Planck Institute for Marine Microbiology, ex ricercatrice post-dottorato nel laboratorio di Dick e autrice principale dello studio, “è possibile che un simile tipo di competizione tra i microbi abbia contribuito al ritardo nella produzione di ossigeno sulla Terra primordiale”.

I modelli mostrano la nuova teoria sull’aumento dell’ossigeno

Si ritiene che gli attuali microbi del Lago Huron siano buoni analoghi per gli organismi antichi in parte perché l’ambiente estremo sul fondo della Middle Island Sinkhole assomiglia probabilmente alle dure condizioni che prevalevano nei mari poco profondi della Terra primitiva.

Con l’aiuto dei subacquei del Thunder Bay National Marine Sanctuary della NOAA, i ricercatori hanno distribuito strumenti sul fondo del lago per studiare la chimica e la biologia delle sue profondità. Inoltre hanno anche prelevato campioni dei biofilm microbici in laboratorio per condurre esperimenti in condizioni controllate.

Grazie ai dettagliati studi di modellazione, condotti in collaborazione con Arjun Chennu del Leibniz Center for Tropical Marine Research, i ricercatori sono riusciti ad individuare le possibili relazioni tra i processi microbici e i modelli temporali terrestri su scale geologiche. Gli studi sui modelli hanno rivelato che la lunghezza del giorno, in effetti, modella il rilascio di ossigeno dai biofilms.

I modelli mostrano infatti che questo meccanismo potrebbe aiutare a spiegare il caratteristico modello graduale dell’ossigenazione della Terra, nonché la persistenza di periodi di scarso ossigeno per la maggior parte della storia del Pianeta.

Ph. Credit: Phil Hartmeyer/NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary via The Scientist