La Terra è l’unico pianeta che supporta la vita che conosciamo, quindi siamo tentati di usarla come standard nella ricerca della vita altrove. Ma la Terra moderna non può servire come base per valutare gli esopianeti e il loro potenziale di sostenere la vita. L'atmosfera terrestre è cambiata radicalmente nel corso dei suoi 4,5 miliardi di anni.
Un modo migliore è determinare quali biomarcatori erano presenti nell'atmosfera terrestre nelle diverse fasi della sua evoluzione e giudicare gli altri pianeti su tale base.
Questo è ciò che ha fatto un gruppo di ricercatori del Regno Unito e degli Stati Uniti. La loro ricerca è intitolata "La Terra primordiale come analogo per la biogeochimica esoplanetaria" e appare sul server di prestampa arXiv . L'autrice principale è Eva E. Stüeken, Ph.D. studente presso la School of Earth &Environmental Sciences, Università di St Andrews, Regno Unito.
Quando la Terra si formò circa 4,5 miliardi di anni fa, la sua atmosfera non aveva nulla in comune con quella odierna. A quel tempo, l’atmosfera e gli oceani erano anossici. Circa 2,4 miliardi di anni fa, l’ossigeno libero cominciò ad accumularsi nell’atmosfera durante il Grande Evento di Ossigenazione, uno dei periodi decisivi nella storia della Terra. Ma l'ossigeno proveniva dalla vita stessa, il che significa che la vita era presente quando l'atmosfera terrestre era molto diversa.
Questo non è l'unico esempio di come l'atmosfera terrestre sia cambiata nel corso del tempo geologico. Ma è istruttivo e mostra perché la ricerca della vita significa molto più che la semplice ricerca di un’atmosfera come quella della Terra moderna. Se questo fosse il modo in cui conducessimo la ricerca, ci mancherebbero mondi in cui la fotosintesi non era ancora apparsa.
Nella loro ricerca, gli autori sottolineano come la Terra abbia ospitato per miliardi di anni una popolazione ricca e in evoluzione di microbi in diverse condizioni atmosferiche.
"Per la maggior parte di questo tempo, la Terra è stata abitata da una biosfera puramente microbica, anche se con una complessità apparentemente crescente nel tempo", scrivono gli autori. "Una ricca documentazione di questa evoluzione geobiologica nel corso di gran parte della storia della Terra fornisce quindi informazioni sulla rilevabilità remota della vita microbica in una varietà di condizioni planetarie."
Non è solo la vita a cambiare nel tempo. La tettonica a placche è cambiata e potrebbe essere stata per lungo tempo una tettonica a “coperchio stagnante”. Nella tettonica del coperchio stagnante, le placche non si muovono orizzontalmente. Ciò può avere conseguenze sulla chimica dell'atmosfera.
Il punto principale è che l'atmosfera terrestre non riflette la nebulosa solare in cui si è formato il pianeta. Molti processi intrecciati hanno cambiato l'atmosfera nel tempo. La ricerca della vita implica non solo una migliore comprensione di questi processi, ma anche come identificare in quale fase potrebbero trovarsi gli esopianeti.
È assiomatico che i processi biologici possano avere un effetto drammatico sulle atmosfere planetarie. "Sulla Terra moderna, la composizione atmosferica è fortemente controllata dalla vita", scrivono i ricercatori. "Tuttavia, qualsiasi potenziale firma biologica atmosferica deve essere districata da uno sfondo di processi abiotici (geologici e astrofisici) che contribuiscono anche alle atmosfere planetarie e dominerebbero sui mondi senza vita e sui pianeti con una biosfera molto piccola."
Gli autori delineano quelle che secondo loro sono le lezioni più importanti che la Terra primordiale può insegnarci sulla ricerca della vita.
Il primo è che la Terra ha effettivamente avuto tre diverse atmosfere nel corso della sua lunga storia. Il primo proveniva dalla nebulosa solare e andò perduto subito dopo la formazione del pianeta. Questa è l'atmosfera primaria. Il secondo si è formato dal degassamento dell'interno del pianeta.
Il terzo, l'atmosfera moderna della Terra, è complesso. È un atto di equilibrio che coinvolge la vita, la tettonica a placche, il vulcanismo e persino la fuga atmosferica. Una migliore comprensione di come l'atmosfera terrestre è cambiata nel tempo offre ai ricercatori una migliore comprensione di ciò che vedono nelle atmosfere degli esopianeti.
La seconda è che più guardiamo indietro nel tempo, più la documentazione rocciosa dei primi anni di vita della Terra viene alterata o distrutta. Le nostre prove migliori suggeriscono che la vita era presente 3,5 miliardi di anni fa, forse anche 3,7 miliardi di anni fa. Se è così, la prima vita potrebbe essere esistita su un mondo ricoperto di oceani, senza masse continentali e solo isole vulcaniche.
Se tra 3,5 e 3,7 miliardi di anni fa ci fosse stata un'abbondante attività vulcanica e geologica, ci sarebbero stati grandi flussi di CO2 e H2 . Poiché questi sono substrati per la metanogenesi, il metano potrebbe essere stato abbondante nell'atmosfera e rilevabile.
La terza lezione delineata dagli autori è che un pianeta può ospitare vita che produce ossigeno per molto tempo prima che l’ossigeno possa essere rilevato nell’atmosfera. Gli scienziati ritengono che la fotosintesi ossigenata sia apparsa sulla Terra nell'eone medio dell'Archeano. L'Archeano si estendeva da 4 miliardi a 2,5 miliardi di anni fa, quindi l'Archeano medio è circa 3,25 miliardi di anni fa. Ma l'ossigeno non poteva accumularsi nell'atmosfera fino al Grande Evento di Ossigenazione circa 2,4 miliardi di anni fa.
L’ossigeno è un potente biomarcatore e, se si trovasse nell’atmosfera di un pianeta extrasolare, sarebbe motivo di entusiasmo. Ma la vita sulla Terra esisteva da molto tempo prima che l'ossigeno atmosferico fosse rilevabile.
La quarta lezione riguarda la comparsa della tettonica a placche orizzontali e il suo effetto sulla chimica. "Dal GOE in poi, la Terra appariva tettonicamente simile a quella odierna", scrivono gli autori. Gli oceani erano probabilmente stratificati in uno strato anossico e uno strato superficiale ossigenato. Tuttavia, l’attività idrotermale introduceva costantemente ferro ferroso negli oceani. Ciò ha aumentato i livelli di solfato nell’acqua di mare, riducendo il metano nell’atmosfera. Senza quel metano, la biosfera terrestre sarebbe stata molto meno rilevabile.
"Il pianeta Terra si è evoluto negli ultimi 4,5 miliardi di anni da un pianeta interamente anossico, con forse un regime tettonico diverso, al mondo ossigenato con la tettonica a placche orizzontali che conosciamo oggi", spiegano gli autori. Tutta questa complessa evoluzione ha permesso alla vita di apparire e prosperare, ma rende anche più complicato il rilevamento di biosfere precedenti sugli esopianeti.
Siamo in enorme svantaggio nella ricerca della vita sugli esopianeti. Possiamo letteralmente scavare nelle antiche rocce della Terra per cercare di districare la lunga storia della vita sulla Terra e il modo in cui l'atmosfera si è evoluta nel corso di miliardi di anni. Quando si tratta di esopianeti, tutto ciò che abbiamo sono i telescopi. Telescopi sempre più potenti, ma pur sempre telescopi. Mentre stiamo iniziando a esplorare il nostro sistema solare, in particolare Marte e le allettanti lune oceaniche che orbitano attorno ai giganti gassosi, altri sistemi solari sono fuori dalla nostra portata fisica.
"Dobbiamo invece riconoscere a distanza la presenza di biosfere aliene e caratterizzare i loro cicli biogeochimici negli spettri planetari ottenuti con grandi telescopi terrestri e spaziali", scrivono gli autori. "Questi telescopi possono sondare la composizione atmosferica rilevando caratteristiche di assorbimento associate a gas specifici." Sondare i gas atmosferici è il nostro approccio più potente in questo momento, come dimostra il JWST.
Ma man mano che gli scienziati acquisiranno strumenti migliori, inizieranno ad andare oltre la chimica atmosferica. "Potremmo anche essere in grado di riconoscere caratteristiche superficiali su scala globale, inclusa l'interazione della luce con i pigmenti fotosintetici e il 'luccichio' derivante dalla riflessione speculare della luce da parte di un oceano liquido."
Comprendere ciò che vediamo nelle atmosfere degli esopianeti è parallelo alla nostra comprensione della lunga storia della Terra. La Terra potrebbe essere la chiave per ampliare e accelerare la nostra ricerca della vita.
"Svelare i dettagli della complessa storia biogeochimica della Terra e la sua relazione con i segnali spettrali osservabili a distanza è una considerazione importante per la progettazione degli strumenti e per la nostra ricerca della vita nell'universo", scrivono gli autori.
Ulteriori informazioni: Eva E. Stüeken et al, La Terra primordiale come analogo per la biogeochimica esoplanetaria, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2404.15432
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