Questi giganteschi cumuli di stromatoliti fossili risalenti a circa 2,5 miliardi di anni fa si trovano in Sudafrica. Per scala, nota le gambe penzolanti di una persona in alto al centro. Questi minerali stratificati sono stati depositati su un'antica costa da comunità di microbi, compresi i batteri fotosintetici che hanno generato ossigeno. Il nuovo studio suggerisce che per milioni di anni l'ossigeno prodotto da questi microbi ha reagito con i gas vulcanici prima che iniziasse ad accumularsi nell'atmosfera terrestre, circa 2,4 miliardi di anni fa. Credito:David Catling/Università di Washington
L'ossigeno si è accumulato per la prima volta nell'atmosfera terrestre circa 2,4 miliardi di anni fa, durante il Grande Evento di Ossidazione. Un enigma di vecchia data è stato che gli indizi geologici suggeriscono che i primi batteri stavano fotosintetizzando e pompando ossigeno centinaia di milioni di anni prima di allora. Dove stava andando tutto?
Qualcosa stava trattenendo l'aumento dell'ossigeno. Una nuova interpretazione delle rocce vecchie di miliardi di anni ha scoperto che i gas vulcanici sono i probabili colpevoli. Lo studio condotto dall'Università di Washington è stato pubblicato a giugno sulla rivista ad accesso libero Comunicazioni sulla natura .
"Questo studio fa rivivere un'ipotesi classica per l'evoluzione dell'ossigeno atmosferico, " ha detto l'autore principale Shintaro Kadoya, un ricercatore post-dottorato UW in Scienze della Terra e dello spazio. "I dati dimostrano che un'evoluzione del mantello terrestre potrebbe controllare un'evoluzione dell'atmosfera terrestre, e forse un'evoluzione della vita."
La vita multicellulare ha bisogno di un apporto concentrato di ossigeno, quindi l'accumulo di ossigeno è la chiave per l'evoluzione della vita che respira ossigeno sulla Terra.
"Se i cambiamenti nel mantello controllano l'ossigeno atmosferico, come suggerisce questo studio, il mantello potrebbe infine dare il ritmo all'evoluzione della vita, " ha detto Kadoya.
Il nuovo lavoro si basa su un documento del 2019 che ha scoperto che il mantello della Terra primitiva era molto meno ossidato, o conteneva più sostanze che possono reagire con l'ossigeno, rispetto al manto moderno. Quello studio di antiche rocce vulcaniche, fino a 3,55 miliardi di anni, sono stati raccolti da siti che includevano il Sudafrica e il Canada.
Robert Nicklas della Scripps Institution of Oceanography, Igor Puchtel all'Università del Maryland, e Ariel Anbar dell'Arizona State University sono tra gli autori dello studio del 2019. Sono anche co-autori del nuovo documento, osservando come i cambiamenti nel mantello hanno influenzato i gas vulcanici che sono fuggiti in superficie.
Un'antica lava komatiite proveniente dalla valle di Komati in Sud Africa. Notare lo strumento a destra per la scala. I coautori hanno utilizzato questi tipi di lave di oltre 3 miliardi di anni fa per apprendere come è cambiata la chimica del mantello. Credito:CSIRO/Wikipedia
L'Eone Archeano, quando solo la vita microbica era diffusa sulla Terra, era più vulcanicamente attivo di oggi. Le eruzioni vulcaniche sono alimentate dal magma, una miscela di roccia fusa e semifusa, nonché dai gas che fuoriescono anche quando il vulcano non è in eruzione.
Alcuni di questi gas reagiscono con l'ossigeno, o ossidare, per formare altri composti. Questo accade perché l'ossigeno tende ad essere affamato di elettroni, quindi qualsiasi atomo con uno o due elettroni tenuti liberamente reagisce con esso. Ad esempio, l'idrogeno rilasciato da un vulcano si combina con qualsiasi ossigeno libero, rimuovere quell'ossigeno dall'atmosfera.
La composizione chimica del mantello terrestre, o strato di roccia più morbido al di sotto della crosta terrestre, controlla infine i tipi di roccia fusa e gas provenienti dai vulcani. Un mantello precoce meno ossidato produrrebbe più gas come l'idrogeno che si combinano con l'ossigeno libero. Il documento del 2019 mostra che il mantello è diventato gradualmente più ossidato da 3,5 miliardi di anni fa ad oggi.
Il nuovo studio combina questi dati con prove di antiche rocce sedimentarie per mostrare un punto di svolta qualche tempo dopo 2,5 miliardi di anni fa, quando l'ossigeno prodotto dai microbi ha superato la sua perdita nei gas vulcanici e ha iniziato ad accumularsi nell'atmosfera.
"Fondamentalmente, la fornitura di gas vulcanici ossidabili era in grado di divorare ossigeno fotosintetico per centinaia di milioni di anni dopo l'evoluzione della fotosintesi, " ha detto il co-autore David Catling, un professore UW di scienze della Terra e dello spazio. "Ma man mano che il mantello stesso diventava più ossidato, sono stati rilasciati meno gas vulcanici ossidabili. Poi l'ossigeno ha inondato l'aria quando non c'era più abbastanza gas vulcanico per assorbire tutto".
Ciò ha implicazioni per comprendere l'emergere di vita complessa sulla Terra e la possibilità di vita su altri pianeti.
"Lo studio indica che non possiamo escludere il mantello di un pianeta quando si considera l'evoluzione della superficie e la vita del pianeta, " ha detto Kadoya.
