Gli scienziati hanno proposto diverse spiegazioni per quello che è noto come il Grande Evento di Ossidazione (GOE):l’improvviso aumento dei livelli di ossigeno iniziato circa 2,3 miliardi di anni fa e probabilmente collegato alla comparsa e alla diffusione dei cianobatteri. Ma il modo preciso in cui l’ossigeno è salito dai bassi livelli per dominare l’atmosfera terrestre non è chiaro.
"Studi precedenti hanno suggerito idee diverse su come ciò sia avvenuto, ma generalmente non avevano la capacità di esaminare come l'ecosistema in evoluzione potesse retroagire sull'ambiente e influenzarne le dinamiche", afferma Jacky Austermann, astrobiologo dell'Università della California, a Los Angeles. Angeles. "Qui mostriamo che una volta che i cianobatteri produttori di ossigeno raggiungono una certa concentrazione, sono effettivamente in grado di portare il pianeta in uno stato dominato dall'ossigeno."
Uno dei primi microrganismi, i cianobatteri si trovano in quasi tutti gli ecosistemi della Terra e sono conosciuti come "alghe blu-verdi" a causa del colore del loro pigmento e della capacità di eseguire la fotosintesi, un processo che utilizza l'energia del sole per convertire l'anidride carbonica e l'acqua negli zuccheri.
Un sottoprodotto della fotosintesi è l'ossigeno. L'atmosfera odierna è composta per il 21% da ossigeno, la maggior parte del quale si ritiene sia stata generata nel corso di milioni di anni da antichi fotosintetizzatori.
Ciò che non si sa è perché l’atmosfera fosse così povera di ossigeno prima della comparsa dei cianobatteri:si stima che fosse inferiore allo 0,1% del suo livello attuale, sebbene anche questo sia sufficiente per sostenere forme di vita semplici.
Per rispondere a questa domanda, Austermann e colleghi hanno sviluppato un modello per studiare l’aumento e la diffusione dei cianobatteri negli oceani e hanno simulato le condizioni in cui gli oceani passerebbero ad essere dominati dall’ossigeno.
Il team ha iniziato sviluppando un modello di oceano contenente le forme di vita più semplici, che non producono ossigeno. Hanno poi introdotto un numero limitato di cianobatteri, le cui popolazioni hanno cominciato a crescere mentre la fotosintesi li spingeva a sfruttare le risorse disponibili.
I ricercatori hanno eseguito il loro modello più volte, variando il numero di cianobatteri iniziali e la velocità dei diversi processi biochimici, come la fotosintesi, gli agenti atmosferici e il consumo di ossigeno di altri microbi.
Hanno scoperto che esiste una soglia critica di concentrazione di cianobatteri oltre la quale gli oceani subiscono una transizione rapida e irreversibile dall’essere dominati da organismi non produttori di ossigeno all’essere dominati dai cianobatteri.
Anche se l’esatta densità di popolazione a questa soglia potrebbe variare in circostanze diverse, il team ha calcolato che sarebbe necessario che la biomassa totale dei cianobatteri raggiungesse circa un decimillesimo del carbonio organico totale – gli elementi costitutivi di tutti gli organismi viventi – contenuto nell’ecosistema.
"Se solo una piccola quantità di cianobatteri può generare un aumento fuori controllo dell'ossigeno, ciò potrebbe spiegare la natura relativamente improvvisa del GOE nella documentazione geologica", afferma Benjamin Johnson, paleobiologo anche lui dell'UCLA.
Il loro modello ha anche identificato i fattori maggiormente responsabili del Grande Evento di Ossidazione:era più sensibile alla forza degli agenti atmosferici chimici e alla concentrazione di alcuni tipi di batteri ossidanti il ferro.
I ricercatori affermano che il prossimo passo sarà quello di esaminare scenari diversi dal semplice tasso di crescita esponenziale delle popolazioni di cianobatteri utilizzati in questo caso, ed esplorare gli effetti di feedback di altri componenti del ciclo del carbonio.
