Gran parte della vita sul pianeta Terra oggi si basa sull'ossigeno per esistere, ma prima che l'ossigeno fosse presente sul nostro pianeta blu, le forme di vita probabilmente usavano invece l'arsenico. Questi risultati sono dettagliati nella ricerca pubblicata oggi in Comunicazioni Terra e Ambiente .

Una componente chiave del ciclo dell'ossigeno è dove le piante e alcuni tipi di batteri essenzialmente prendono la luce del sole, acqua, e CO ₂ , e convertirli in carboidrati e ossigeno, che vengono poi ciclati e utilizzati da altri organismi che respirano ossigeno. Questo ossigeno funge da veicolo per gli elettroni, guadagnando e donando elettroni mentre alimenta i processi metabolici. Però, per metà del tempo che la vita è esistita sulla Terra, non c'era ossigeno presente, e per i primi 1,5 miliardi di anni, non sappiamo davvero come funzionassero questi sistemi, dice Pieter Visscher, autore principale dello studio e professore di scienze marine e geoscienze UConn.

guidato dalla luce, gli organismi fotosintetici appaiono nei reperti fossili come rocce carbonatiche stratificate chiamate stromatoliti risalenti a circa 3,7 miliardi di anni fa, dice Vischer. Le stuoie di stromatolite si depositano nel corso degli eoni dagli ecosistemi microbici, con ogni strato contenente indizi sulla vita in quel momento. Esistono esempi contemporanei di microbi che fotosintetizzano in assenza di ossigeno utilizzando una varietà di elementi per completare il processo, tuttavia non è chiaro come ciò sia accaduto nelle prime forme di vita.

Le teorie sul funzionamento dei processi vitali in assenza di ossigeno si sono basate principalmente sull'idrogeno, zolfo, o ferro come gli elementi che traghettavano gli elettroni intorno per soddisfare i bisogni metabolici degli organismi.

Come spiega Vischer, queste teorie sono contestate; Per esempio, la fotosintesi è possibile con il ferro, ma i ricercatori non trovano prove di ciò nei reperti fossili prima che l'ossigeno apparisse circa 2,4 miliardi di anni fa. Si parla di idrogeno, tuttavia l'energia e la competizione per l'idrogeno tra diversi microbi mostrano che è altamente irrealizzabile.

L'arsenico è un'altra possibilità teorica, e la prova di ciò è stata trovata nel 2008. Visscher afferma che il legame con l'arsenico è stato rafforzato nel 2014 quando lui e i suoi colleghi hanno trovato prove di fotosintesi a base di arsenico in tempi profondi. Per supportare ulteriormente la loro teoria, i ricercatori avevano bisogno di trovare un analogo moderno per studiare la biogeochimica e il ciclo degli elementi.

Trovare un analogo alle condizioni sulla Terra primordiale è una sfida per una serie di motivi, oltre al fatto che l'ossigeno ora è abbondante. Ad esempio, le prove mostrano che i primi microbi catturavano il carbonio atmosferico e producevano materia organica in un momento in cui le eruzioni vulcaniche erano frequenti, La luce UV era intensa in assenza dello strato di ozono, e gli oceani erano essenzialmente una zuppa tossica.

Un altro aspetto impegnativo del lavoro all'interno della documentazione fossile, specialmente quelli antichi come alcune stromatoliti, è che ne sono rimasti pochi a causa del ciclo del rock mentre i continenti si muovono. Però, una svolta è avvenuta quando il team ha scoperto un tappetino microbico attivo, attualmente esistente nelle dure condizioni della Laguna La Brava nel deserto di Atacama in Cile.

I tappetini non sono stati studiati in precedenza ma presentano un insieme di condizioni ultraterrene, come quelli della Terra primitiva. I materassini si trovano in un ambiente unico che li lascia in uno stato permanentemente privo di ossigeno ad alta quota dove sono esposti a selvaggi, sbalzi di temperatura giornalieri, e condizioni UV elevate. I tappetini servono come strumenti potenti e informativi per comprendere veramente la vita nelle condizioni della Terra primordiale.

Visscher spiega, "Abbiamo iniziato a lavorare in Cile, dove ho trovato un fiume rosso sangue. I sedimenti rossi sono costituiti da batteri fotosintetici anoxogenici. L'acqua è anche molto ricca di arsenico. L'acqua che scorre sopra le stuoie contiene idrogeno solforato di origine vulcanica e scorre molto rapidamente su queste stuoie. Non c'è assolutamente ossigeno."

Il team ha anche dimostrato che i tappetini stavano producendo depositi di carbonato e creando una nuova generazione di stromatoliti. I materiali carbonati hanno anche mostrato prove del ciclo dell'arsenico - che l'arsenico funge da veicolo per gli elettroni - dimostrando che i microbi stanno attivamente metabolizzando l'arsenico, molto simile all'ossigeno nei sistemi moderni. Visscher dice che questi risultati, insieme alle prove fossili, dà un forte senso delle prime condizioni della Terra.

"La vita basata sull'arsenico è stata una questione in termini di, ha un ruolo biologico o è solo un composto tossico?" dice Visscher.

Sembra che a questa domanda sia stata data risposta:"Ho lavorato con tappetini microbici per circa 35 anni o giù di lì. Questo è l'unico sistema sulla Terra in cui sono riuscito a trovare un tappetino microbico che funzionava assolutamente in assenza di ossigeno".

Visscher sottolinea che uno strumento importante che hanno usato per eseguire questa ricerca è simile a quello a bordo del rover Mars Perseverance, attualmente in rotta verso Marte.

"Nella ricerca di prove della vita su Marte, guarderanno il ferro e probabilmente dovrebbero anche guardare l'arsenico."