I ricercatori del Dipartimento di Scienze della Terra della Syracuse University hanno confermato che l'aumento dei livelli di ossigeno nell'oceano e nell'atmosfera si è co-evoluto con la vita marina centinaia di milioni di anni fa.

Wanyi Lu, un dottorato di ricerca candidato che studia sotto il professore associato Zunli Lu (nessuna relazione) nel College of Arts and Sciences, è l'autore principale di un documento innovativo in Scienza rivista.

Il documento nasce da un pluriennale, sforzo di ricerca multinazionale guidato da Zunli Lu che ripensa le cause e gli impatti dell'aumento dell'ossigenazione sulle piattaforme continentali durante l'attuale Fanerozoico Eon, iniziata più di 542 milioni di anni fa.

"La maggior parte degli studi sulla storia dell'ossigeno si concentra sull'atmosfera e sugli oceani profondi, con implicazioni sull'evoluzione della vita, " Zunli Lu dice. "Crediamo che il livello di ossigeno oceanico nella colonna d'acqua sopra le piattaforme continentali [cioè, l'oceano superiore] potrebbe essere stata una bestia diversa."

Al centro della ricerca del team c'era un proxy geochimico di cui Lu è stato il pioniere nel 2010. Utilizzando un nuovo approccio basato sulla geochimica dello iodio, lui ei suoi colleghi hanno misurato il rapporto tra iodio e calcio nei minerali e nei fossili di carbonato di calcio.

Timothy Lione, Distinguished Professor di Biogeochimica presso l'Università della California, Riverside (UCR), considera la geochimica dello iodio un "potente strumento" per limitare le condizioni dell'ossigeno nelle condizioni da superficie a superficie dell'antico oceano. "Queste sono le acque in cui apparvero per la prima volta i primi animali, evoluto e avanzato verso ecologie complesse, " dice. "I risultati di questo studio rivelano dinamiche ambientali precedentemente inimmaginabili in quelle prime acque, e quelle condizioni devono aver avuto un impatto sugli animali".

Lu prende le lodi con calma, ma insiste che i risultati del gruppo sono nuovi. "L'oceano superiore è diventato ben ossigenato molto più tardi di quanto originariamente pensato, " lui dice.

Il geochimico di Siracusa illustra il suo punto descrivendo una densa foschia di metano che originariamente avvolgeva il pianeta, lasciando poco o nessun ossigeno nell'atmosfera. I microbi fotosintetizzanti alla fine hanno prodotto abbastanza energia chimica, provocando l'accumulo di ossigeno libero nell'atmosfera. "Questo ha posto le basi per il Grande Evento di Ossidazione circa 2,3 miliardi di anni fa, " lui dice.

Con l'ossigenazione è arrivata l'ascesa di forme di vita multicellulari nel prossimo miliardo di anni. Tra loro c'erano eucarioti, le cui informazioni genetiche sono state memorizzate all'interno di un nucleo o nuclei legati alla membrana.

La domanda nella mente di tutti, in particolare Wanyi Lu, è stato come e quando l'oceano globale è diventato abbastanza ossigenato da ospitare diverse forme di vita marina, compresi quelli in vita oggi.

"I nostri dati sullo iodio sono coerenti con un importante aumento del livello di ossigeno atmosferico verificatosi circa 400 milioni di anni fa, "dice Lu, i cui studi di dottorato riguardano la geochimica a bassa temperatura e i cambiamenti ambientali globali. "Tuttavia, i livelli di ossigeno nell'oceano superiore non si sono stabilizzati a condizioni quasi moderne fino a 200 milioni di anni fa, quando il plancton eucariotico più grande dominava gli oceani del mondo. Il tempismo ha perfettamente senso".

Per comprendere tali osservazioni nel record rock, bisogna apprezzare i processi biogeochimici e oceanografici su larga scala, così come la composizione chimica atmosferica. "Abbiamo esaminato i ruoli di questi due controlli nell'alto oceano, utilizzando un sofisticato modello di sistema terrestre [ESM] con un nome interessante:GENIE, che è l'abbreviazione di "Grid-ENabled Integrated Earth, '", dice Zunli Lu.

Andy Rigwell, professore di Scienze della Terra all'UCR, sviluppato la struttura di modellazione della firma di GENIE, che compone una serie di simulazioni ESM su varie scale temporali. "Il modo innovativo con cui il team di Siracusa ha combinato misurazioni di rocce antiche con un complesso, modello matematico del sistema climatico globale e del ciclo del carbonio era impressionante, " lui dice.

Ridgwell loda la conclusione principale dell'analisi finale del team:un cambiamento fondamentale negli eucarioti ha portato a una maggiore profondità di rimineralizzazione della materia organica e, in definitiva, un oceano superiore "resilientemente ossigenato". "Questo si adatta perfettamente alla nostra comprensione in via di sviluppo dei principali passi evolutivi compiuti per creare il pianeta che abbiamo oggi, "dice Rigwell, che studia modelli biogeochimici e cambiamenti climatici a lungo termine.

Lee Kump, decano del College of Earth and Mineral Sciences a Penn State, afferma che i risultati del gruppo sono un potente promemoria di come la teoria dell'evoluzione di Darwin possa essere solo a metà. "I cambiamenti nell'ambiente influenzano l'evoluzione biologica, per essere sicuro, ma l'innovazione biologica può influenzare l'ambiente, anche su scala globale, "dice il noto paleoclimatologo.

Questa non è la fine della storia, però. Ros Rickaby, professore di geochimica all'Università di Oxford (Regno Unito), afferma che i risultati rafforzano anche il legame tra l'ossigenazione e le dimensioni del corpo degli animali marini. "È incredibile pensare che il crescente successo della mineralizzazione microscopica del plancton nell'oceano, attraverso il cambiamento nella distribuzione dell'ossigeno, avrebbe potuto avere effetti di così vasta portata in tutto il sistema Terra da aumentare la dimensione corporea media degli animali, " dice. "Ci ricorda l'intricata interconnessione tra ogni parte dell'ecosistema marino".

Zunli Lu aggiunge:"È un ottimo esempio della coevoluzione della vita e del pianeta".