Circa 2,4 miliardi di anni fa, tutto è cambiato per la Terra. Quello era il tempo del Grande evento di ossidazione (GOE), quando i batteri fotosintetici hanno inondato l'atmosfera di ossigeno, bandendo precocemente forme di vita non contenenti ossigeno ai margini della Terra. Il GOE ha posto le basi per la Terra che vediamo oggi, dominata da complesse forme di vita che respirano ossigeno.
Ma c'è un dettaglio sui tempi del GOE che ha lasciato perplessi gli scienziati. I batteri fotosintetici stavano pompando ossigeno molto prima del vero GOE; centinaia di milioni di anni prima, infatti.
Dov'è finito tutto l'ossigeno?
Un nuovo studio ha esaminato questa domanda. L'autore principale è Shintaro Kadoya, un ricercatore post-dottorato dell'Università di Washington in Scienze della Terra e dello Spazio. Lo studio si intitola “ I dati del mantello implicano che un declino dei gas vulcanici ossidabili potrebbe aver innescato la Grande Ossidazione .” È pubblicato sulla rivista Nature Communications.
Il mantello, l'atmosfera e la vita della Terra sono collegati tra loro in una sorta di ciclo di feedback poliamoroso. Tutti si influenzano a vicenda. Hanno tutta la lunga storia del pianeta, e lo fanno ancora oggi. Non c'è fuga dalla chimica.
Quando sono apparse le forme di vita fotosintetiche, hanno iniziato a produrre ossigeno come sottoprodotto del loro metabolismo. Ma all'inizio, quell'ossigeno non si concentrava nell'atmosfera. Ciò è dovuto ai vulcani e alla composizione del materiale che i vulcani hanno sollevato dalla Terra mantello , secondo questo nuovo studio.
Quando i vulcani sono attivi, inviano grandi quantità di gas nell'atmosfera. La natura di quei gas dipende dalla natura dei materiali nel mantello terrestre. All'inizio della storia della Terra, i vulcani hanno rilasciato molto idrogeno, ad esempio, dal mantello nell'atmosfera.
Gli strati della Terra, un corpo planetario differenziato. Credito: Wikipedia Commons/Surachit
L'ossigeno è uno scambista. È altamente reattivo e non esita a combinarsi con cose come l'idrogeno. Ed è esattamente quello che è successo. Non è successo solo con l'idrogeno, è successo con tutti i tipi di altri materiali che i vulcani hanno portato in superficie.
Quindi, anche se quelle prime forme di vita produttrici di ossigeno gli davano tutto ciò che avevano, stavano combattendo una battaglia in salita. L'ossigeno che hanno prodotto si è combinato con cose come l'idrogeno ed è stato rimosso dall'atmosfera.
'Fondamentalmente, la fornitura di gas vulcanici ossidabili è stata in grado di divorare ossigeno fotosintetico per centinaia di milioni di anni dopo l'evoluzione della fotosintesi'.
David Catling, co-autore dello studio, professore di scienze della Terra e dello spazio all'Università degli Stati Uniti d'America
Quindi il contenuto dell'antico mantello terrestre controllava la concentrazione atmosferica di ossigeno attraverso l'attività vulcanica. E finché nell'atmosfera non si fosse concentrato abbastanza ossigeno, la vita multicellulare complessa non poteva andare avanti.
Le cose erano in stallo.
La Terra primitiva non era solo più vulcanica della Terra attuale. La composizione del mantello era diversa, il che significa che la composizione dei gas nelle eruzioni era diversa. Il vulcano Mount Redoubt in Alaska. Credito immagine: di R. Clucas – http://pubs.usgs.gov/dds/dds-39/album.html e http://gallery.usgs.gov/photos/03_29_2013_otk7Nay4LH_03_29_2013_5#.UrvS2vfTnrc, dominio pubblico, https: //commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5768911
Un precedente studio 2019 ha mostrato che l'antico mantello terrestre conteneva meno oxgyen di quanto non ne contenga ora e più sostanze che possono reagire con l'ossigeno. Quello studio era basato su rocce vulcaniche in Canada e Sud Africa che avevano 3,55 miliardi di anni. Mostra anche che il mantello terrestre è diventato gradualmente più ossidato col passare del tempo.
Anche alcuni degli autori di quel documento del 2019 sono coinvolti in questa nuova ricerca. Questo nuovo lavoro esamina in modo più dettagliato come i cambiamenti nel mantello terrestre abbiano portato a cambiamenti nei gas vulcanici rilasciati nell'atmosfera.
Il lavoro si concentra su un periodo della storia della Terra chiamato il Eone Archeano , iniziata circa 4 miliardi di anni fa. A quel tempo, la Terra aveva solo circa 500 milioni di anni. All'epoca c'era molta più attività vulcanica, e tutta quell'attività vulcanica era alimentata dal magma e dai gas sotterranei.
Il mantello è lo strato più morbido della Terra, direttamente al di sotto del Crosta . Questo nuovo studio mostra che il contenuto del mantello era diverso allora. Conteneva più materiale che non era stato ancora ossidato. Quindi tutta quell'antica attività vulcanica ha prodotto ampio materiale con cui l'ossigeno atmosferico può combinarsi, il che ha rimosso l'ossigeno dall'atmosfera.
Poi c'è stato un punto di svolta nell'intero processo.
Questi giganteschi cumuli di stromatoliti fossili risalenti a circa 2,5 miliardi di anni fa si trovano in Sud Africa. Per la scala, nota le gambe penzolanti di una persona in alto al centro. Questi minerali stratificati sono stati depositati su un'antica costa da comunità di microbi, inclusi batteri fotosintetici che hanno generato ossigeno. Il nuovo studio suggerisce che per milioni di anni l'ossigeno prodotto da questi microbi ha reagito con i gas vulcanici prima che iniziasse ad accumularsi nell'atmosfera terrestre, circa 2,4 miliardi di anni fa. Credito immagine: David Catling/Università di Washington
Prove provenienti da antiche rocce sedimentarie, comprese le formazioni di ferro a bande, mostrano che circa 2,5 miliardi di anni fa, il ciclo vulcanico aveva ossidato una parte maggiore del materiale nel mantello. Man mano che l'attività vulcanica continuava, produceva meno materiale che si combinava facilmente con l'ossigeno. Il mantello terrestre si stava sempre più ossidando. Lentamente, l'ossigeno prodotto dalle forme di vita potrebbe accumularsi nell'atmosfera.
Il mantello, un tempo assorbitore di ossigeno, si stava saturando. Non c'era nessun posto dove andare per l'oxgyen se non l'atmosfera. Ciò diede inizio al Grande Evento di Ossidazione, aprendo la strada a una vita complessa.
'Fondamentalmente, la fornitura di gas vulcanici ossidabili è stata in grado di divorare ossigeno fotosintetico per centinaia di milioni di anni dopo l'evoluzione della fotosintesi', ha affermato il coautore David Catling, professore di scienze della Terra e dello spazio alla UW. “Ma man mano che il mantello stesso si ossidava, venivano rilasciati meno gas vulcanici ossidabili. Poi l'ossigeno ha inondato l'aria quando non c'era più abbastanza gas vulcanico per assorbire tutto”.
Nel loro studio gli autori sottolineano che le cose non sono esattamente così semplici. Ci sono altre complessità coinvolte e altri meccanismi che contribuiscono al contenuto di ossigeno dell'atmosfera. “Tuttavia, questo risultato non esclude un ruolo per altri processi nell'ossidazione dell'atmosfera…” scrivono.
Un'antica lava komatiite proveniente dalla valle di Komati in Sud Africa. Notare lo strumento a destra per la scala. I coautori hanno utilizzato questi tipi di lave di oltre 3 miliardi di anni fa per apprendere come è cambiata la chimica del mantello. Credito immagine:CSIRO / Wikipedia
Senza entrare nei dettagli, ci sono altri processi che possono aumentare la quantità di idrogeno e altri materiali ossidabili nel mantello, che vengono immessi nell'atmosfera dall'attività vulcanica. Altri processi possono rendere disponibile più idrogeno esistente, senza modificarne la quantità nel mantello. La Terra era un luogo affollato a quei tempi e il raffreddamento del mantello influiva su tutte queste transazioni di ossigeno.
Tutto questo è successo miliardi di anni fa. E sebbene le rocce antiche forniscano prove solide in qualche modo, altre cose, come il tasso di flusso di ossigeno assorbito dai gas del mantello, dovevano essere stimate nel miglior modo possibile. Un esempio di ciò riguarda la data effettiva del GOE e come ci sia una 'busta di incertezza' intorno a quella data. Gli autori scrivono che …”incertezze nella fO2
La cosa interessante di questo non è solo il modo in cui influenza la nostra comprensione della Terra e l'emergere di una vita complessa qui. Si estende anche alla nostra comprensione degli esopianeti e del loro potenziale per supportare la vita.
'Lo studio indica che non possiamo escludere il mantello di un pianeta quando si considera l'evoluzione della superficie e la vita del pianeta', ha detto Kadoya.
Di più:
- Comunicato stampa: L'attività vulcanica e i cambiamenti nel mantello terrestre sono stati la chiave per l'aumento dell'ossigeno atmosferico
- Documento di ricerca: I dati del mantello implicano che un declino dei gas vulcanici ossidabili potrebbe aver innescato la Grande Ossidazione
- Universo oggi: La fantascienza potrebbe avere ragione, dopotutto. Potrebbero esserci atmosfere traspiranti in tutto l'universo