La quantità di biomassa - la vita - negli antichi oceani della Terra potrebbe essere stata limitata a causa del basso riciclaggio del nutriente chiave fosforo, secondo una nuova ricerca dell'Università di Washington e dell'Università di St. Andrews in Scozia.

La ricerca, pubblicato online il 22 novembre sulla rivista Progressi scientifici , commenta anche il ruolo del vulcanismo nel sostenere la biosfera primitiva della Terra e potrebbe persino applicarsi alla ricerca di vita su altri mondi.

L'autore principale del documento è Michael Kipp, uno studente di dottorato UW in Scienze della Terra e dello spazio; coautore è Eva Stüeken, un ricercatore presso l'Università di St. Andrews ed ex ricercatore post-dottorato UW. Roger Buick, Professore UW di Scienze della Terra e dello spazio, consigliato i ricercatori.

Il loro scopo, Kipp ha detto, consisteva nell'utilizzare modelli teorici per studiare come i livelli di fosforo oceanico sono cambiati nel corso della storia della Terra.

"Eravamo interessati al fosforo perché si pensa che sia il nutriente che limita la quantità di vita che c'è nell'oceano, insieme a carbonio e azoto, " disse Kipp. "Tu cambi la quantità relativa di quelli e cambi, fondamentalmente, la quantità di produttività biologica."

Kipp ha affermato che il loro modello mostra che la capacità del fosforo di essere riciclato nell'antico oceano "era molto inferiore rispetto a oggi, forse nell'ordine di 10 volte di meno."

Tutta la vita ha bisogno di cibo abbondante per prosperare, e l'elemento chimico fosforo, che si riversa nell'oceano dai fiumi sotto forma di fosfato, è un nutriente chiave. Una volta nell'oceano, il fosforo viene riciclato più volte in quanto organismi come il plancton o le alghe eucariotiche che lo "mangiano" vengono a loro volta consumati da altri organismi.

"Poiché questi organismi usano il fosforo, a loro volta vengono sfiorati, o muoiono e altri batteri decompongono la loro materia organica, " ha detto Kipp, "e rilasciano una parte di quel fosforo nell'oceano. In realtà, cicla più volte, " permettendo al fosforo liberato di accumularsi nell'oceano. La quantità di riciclaggio è un controllo chiave sulla quantità di fosforo totale nell'oceano, che a sua volta sostiene la vita.

Buick ha spiegato:"Ogni giardiniere sa che le sue piante crescono solo piccole e irregolari senza fertilizzante fosfatico. Lo stesso vale per la vita fotosintetica negli oceani, dove il "fertilizzante" fosfato proviene in gran parte dal fosforo liberato dalla degradazione del plancton morto."

Ma tutto questo richiede ossigeno. Negli odierni oceani ricchi di ossigeno, quasi tutto il fosforo viene riciclato in questo modo e poco cade sul fondo dell'oceano. Diversi miliardi di anni fa, in epoca precambriana, però, c'era poco o nessun ossigeno nell'ambiente.

"Ci sono alcune alternative all'ossigeno che alcuni batteri potrebbero usare, ha detto il coautore Stüeken. "Alcuni batteri possono digerire il cibo usando il solfato. Altri usano gli ossidi di ferro". Solfato, lei disse, fu il più importante controllo sul riciclaggio del fosforo nell'era Precambriana.

"La nostra analisi mostra che questi percorsi alternativi erano la via dominante per il riciclaggio del fosforo nel Precambriano, quando l'ossigeno era molto basso, " ha detto Stüeken. "Tuttavia, sono molto meno efficaci della digestione con l'ossigeno, il che significa che solo una quantità minore di biomassa potrebbe essere digerita. Come conseguenza, molto meno fosforo sarebbe stato riciclato, e quindi la produttività biologica totale sarebbe stata soppressa rispetto ad oggi."

Kipp ha paragonato l'oceano a basso contenuto di ossigeno della Terra primitiva a una sorta di ambiente "in scatola", con l'ossigeno sigillato:"È un sistema chiuso. Se torni ai primi oceani del Precambriano, non c'è molto da fare in termini di attività biologica."

Stüeken notò che i vulcani erano la più grande fonte di solfato nel Precambriano, a differenza di adesso, e quindi erano necessari per sostenere una biosfera significativa consentendo il riciclaggio del fosforo.

Infatti, meno tale solfato vulcanico, Stüeken ha detto, La biosfera terrestre sarebbe stata molto piccola, e potrebbe non essere sopravvissuto per miliardi di anni. Le scoperte, poi, illustrare "quanto fortemente la vita sia legata a processi geologici fondamentali come il vulcanismo sulla Terra primordiale, " lei disse.

La modellazione di Kipp e Stüeken potrebbe avere implicazioni anche per la ricerca della vita oltre la Terra.

Gli astronomi utilizzeranno i prossimi telescopi terrestri e spaziali come il James Webb Space Telescope, previsto per il lancio nel 2019, per cercare l'impatto di una biosfera marina, come ha la Terra, sull'atmosfera di un pianeta. Ma basso fosforo, dicono i ricercatori, potrebbe far apparire disabitato un mondo abitato, creando una sorta di "falso negativo".

Kipp ha detto, "Se c'è meno vita, fondamentalmente, meno produzione fotosintetica:è più difficile accumulare ossigeno atmosferico che se si disponessero di livelli di fosforo e tassi di produzione moderni. Ciò potrebbe significare che alcuni pianeti potrebbero sembrare disabitati a causa della loro mancanza di ossigeno, ma in realtà hanno biosfere di estensione limitata a causa della scarsa disponibilità di fosforo.

"Questi 'falsi negativi' sono una delle maggiori sfide che dobbiamo affrontare nella ricerca della vita altrove, " disse Victoria Meadows, Professore di astronomia UW e ricercatore principale per il Laboratorio Planetario Virtuale dell'Istituto di Astrobiologia della NASA, con sede presso l'UW.

"Ma la ricerca sugli ambienti della Terra primitiva aumenta le nostre possibilità di successo rivelando processi e proprietà planetarie che guidano la nostra ricerca di vita sugli esopianeti vicini".