Per tre miliardi di anni o più, l'evoluzione della prima vita animale sulla Terra era pronta per accadere, praticamente in attesa dietro le quinte. Ma l'ossigeno respirabile di cui aveva bisogno non c'era, e la colpa potrebbe essere stata la mancanza di semplici nutrienti.

Poi è arrivata una feroce metamorfosi planetaria. Circa 800 milioni di anni fa, nel tardo Proterozoico, fosforo, un elemento chimico essenziale per tutta la vita, cominciò ad accumularsi in zone oceaniche poco profonde vicino a coste ampiamente considerate il luogo di nascita di animali e altri organismi complessi, secondo un nuovo studio di geoscienziati del Georgia Institute of Technology e della Yale University.

Insieme all'accumulo di fosforo è arrivata una reazione chimica a catena globale, che includeva altri nutrienti, che ha permesso agli organismi di pompare ossigeno nell'atmosfera e negli oceani. Poco dopo quel passaggio, ondate di estremi climatici hanno spazzato il globo, congelandolo due volte per decine di milioni di anni ogni volta, regge una teoria molto apprezzata. L'elevata disponibilità di sostanze nutritive e il potenziamento dell'ossigeno probabilmente hanno anche alimentato il più grande balzo in avanti dell'evoluzione.

Dopo miliardi di anni, durante i quali la vita consisteva quasi interamente di organismi unicellulari, gli animali si sono evoluti. All'inizio, erano estremamente semplici, somiglianti alle odierne spugne o meduse, ma la Terra era sulla via dell'essere, per eoni, un pianeta poco ospitale per la vita complessa fino a diventarne uno che ne trabocca.

La vera genesi della Terra

Nelle ultime centinaia di milioni di anni, la biodiversità è sbocciata, portando a fitte giungle e praterie che risuonano di richiami di animali, e acque che si contorcono con ogni forma di pinna e colore di scaglie. E quasi ogni fase dello sviluppo ha lasciato il segno nei reperti fossili.

I ricercatori stanno attenti a non insinuare che il fosforo abbia necessariamente causato la reazione a catena, ma in rocce sedimentarie prelevate da zone costiere, la sostanza nutritiva ha segnato il punto in cui è decollato quell'esplosione di vita e il cambiamento climatico. "Il tempismo è decisamente cospicuo, " ha detto Chris Reinhard, un assistente professore presso la School of Earth and Atmospheric Sciences della Georgia Tech.

Reinhard e Noah Planavsky, un geochimico della Yale University, che hanno guidato insieme la ricerca, hanno estratto testimonianze di rocce sedimentarie che si sono formate in antiche zone costiere, scendendo strato dopo strato fino a 3,5 miliardi di anni fa, per calcolare come si è evoluto il ciclo del fertilizzante essenziale fosforo e come sembrava giocare un ruolo importante in una vera e propria genesi.

Hanno notato una notevole congruenza mentre si spostavano verso l'alto attraverso gli strati di scisto nel periodo di tempo in cui è iniziata la vita animale, nel tardo Proterozoico.

"Il cambiamento più fondamentale è stato da una disponibilità di fosforo molto limitata a una disponibilità di fosforo molto più elevata nelle acque superficiali dell'oceano, " Ha detto Reinhard. "E la transizione sembrava verificarsi proprio nel periodo in cui c'erano cambiamenti molto grandi nei livelli di ossigeno nell'oceano e nell'atmosfera e appena prima della comparsa degli animali".

Fosforo in spiaggia

Reinhard e Planavsky, insieme a un team internazionale, hanno proposto che uno scavenging di sostanze nutritive in un mondo anossico (quasi privo di O2) abbia bloccato gli organismi fotosintetici che altrimenti sarebbero stati in bilico per almeno due miliardi di anni per fare scorte di ossigeno. Poi quel sistema equilibrato è stato sconvolto e il fosforo oceanico si è fatto strada nelle acque costiere.

Gli scienziati hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Natura di mercoledì, 21 dicembre 2016. La loro ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation, l'Istituto di Astrobiologia della NASA, la Sloan Foundation e la Japan Society for the Promotion of Science.

Il lavoro fornisce una nuova visione dei fattori che hanno permesso alla vita di rimodellare l'atmosfera terrestre. Aiuta a gettare le basi che gli scienziati possono applicare per fare previsioni su ciò che consentirebbe alla vita di alterare le atmosfere degli esopianeti, e può ispirare studi più approfonditi, qui sulla Terra, di come la chimica oceanico-atmosferica guida l'instabilità climatica e influenza l'ascesa e la caduta della vita attraverso i secoli.

cianobatteri, la madre di O2

esseri viventi complessi, compresi gli animali, di solito hanno un metabolismo immenso e richiedono un ampio O2 per guidarlo. L'evoluzione degli animali è impensabile senza di essa.

Il percorso per capire come una carenza di sostanze nutritive ridurrebbe alla fame la produzione di ossigeno respirabile riconduce a un tipo molto speciale di batteri chiamati cianobatteri, la madre dell'ossigeno sulla Terra.

"L'unico motivo per cui abbiamo un pianeta ben ossigenato su cui possiamo vivere è la fotosintesi ossigenata, " Planavsky ha detto. "O2 è il prodotto di scarto delle cellule fotosintetizzanti, come i cianobatteri, combinando CO2 e acqua per costruire zuccheri".

E la fotosintesi è una singolarità evolutiva, il che significa che si è evoluto solo una volta nella storia della Terra - nei cianobatteri.

Alcuni altri fenomeni biologici si sono evoluti ripetutamente in dozzine o centinaia di incidenze non correlate nel corso dei secoli, come il passaggio da organismi unicellulari a rudimentali organismi pluricellulari. Ma gli scienziati sono fiduciosi che la fotosintesi ossigenata si sia evoluta solo questa volta nella storia della Terra, solo nei cianobatteri, e tutte le piante e gli altri esseri sulla Terra che fotosintetizzano hanno cooptato lo sviluppo.

L'ancora di ferro

Si ritiene che i cianobatteri riempiano l'atmosfera terrestre di O2, e sono in circolazione da 2,5 miliardi di anni o più.

Ciò fa sorgere la domanda:cosa ci è voluto così tanto tempo? I nutrienti di base che alimentavano i batteri non erano prontamente disponibili, lo scienziato ipotizza. Il fosforo, che Planavsky e Reinhard hanno tracciato specificamente, è stato nell'oceano per miliardi di anni, pure, ma era legato nei posti sbagliati.

Per eoni, il minerale di ferro, che un tempo saturavano gli oceani, probabilmente legato con fosforo, e lo sprofondò nelle oscure profondità dell'oceano, lontano da quelle secche, chiamate anche margini continentali, dove i cianobatteri avrebbero avuto bisogno di esso per prosperare e produrre ossigeno. Anche oggi, il ferro è usato per trattare le acque inquinate con fertilizzanti per rimuovere il fosforo affondandolo come sedimento profondo.

I ricercatori hanno anche utilizzato un modello geochimico per mostrare come un sistema globale con un'elevata concentrazione di ferro e una bassa disponibilità di fosforo combinata con una bassa disponibilità di azoto nelle acque poco profonde dell'oceano potrebbe perpetuarsi in un mondo a basso contenuto di ossigeno.

"Sembra che sia stato un sistema planetario così stabile, "Reinhard ha detto. "Ma ovviamente non è il pianeta in cui viviamo ora, quindi la domanda è, come siamo passati da questo stato a basso contenuto di ossigeno a dove siamo ora?"

Ciò che alla fine ha causato quel cambiamento è una domanda per la ricerca futura.

Pistola per avviamento al fosforo

Ma qualcosa è cambiato circa 800 milioni di anni fa, e i cianobatteri e altri minuscoli organismi negli ecosistemi dei margini continentali hanno ottenuto più fosforo, la spina dorsale di DNA e RNA, e un attore principale nel metabolismo cellulare. I batteri sono diventati più attivi, riprodotto più rapidamente, mangiato molto più fosforo e prodotto molto più O2.

"Il fosforo non è solo essenziale per la vita, "Ha detto Planavsky. "Ciò che è implicito in tutto questo è:può controllare la quantità di vita sul nostro pianeta".

Quando i batteri appena moltiplicati morirono, caddero sul fondo di quelle secche oceaniche, impilando strato dopo strato per decomporre e arricchire il fango di fosforo. Il fango alla fine si è compresso in pietra.

"Poiché la biomassa è aumentata del contenuto di fosforo, più è atterrato in strati di roccia sedimentaria, "Reinhard ha detto. "Agli scienziati, quello scisto sono le pagine del libro di storia dei fondali marini."

Gli scienziati li hanno sfogliati per decenni, compilazione dei dati. Planavsky e Reinhard hanno analizzato circa 15, 000 dischi rock per il loro studio.

"La prima raccolta che abbiamo avuto di questo era di soli 600 campioni, " disse Planavsky. Reinhard aggiunse, "Ma lo potevi già vedere allora. La scossa di fosforo era chiara come il giorno. E man mano che il database cresceva di dimensioni, il fenomeno si è radicato».

Quel primo segnale di fosforo nelle secche costiere della Terra compare nel registro degli scisti come uno sparo di una pistola di partenza nella corsa per la vita abbondante.