L'aumento dei livelli di ossigeno all'inizio della storia della Terra ha aperto la strada alla spettacolare diversità della vita animale. Ma per decenni, gli scienziati hanno lottato per spiegare i fattori che controllavano questo processo graduale e graduale, che si è svolto in quasi 2 miliardi di anni.

Ora un team di ricerca internazionale propone che l'aumento della lunghezza del giorno sulla Terra primordiale:la rotazione del giovane pianeta sia gradualmente rallentata nel tempo, allungare le giornate, potrebbe aver aumentato la quantità di ossigeno rilasciata dai cianobatteri fotosintetici, modellando così i tempi dell'ossigenazione della Terra.

La loro conclusione è stata ispirata da uno studio sulle comunità microbiche odierne che crescono in condizioni estreme sul fondo di una dolina sommersa del Lago Huron, 80 piedi sotto la superficie dell'acqua. L'acqua nella Middle Island Sinkhole è ricca di zolfo e povera di ossigeno, e i batteri dai colori vivaci che prosperano lì sono considerati buoni analoghi per gli organismi unicellulari che hanno formato colonie simili a tappetini miliardi di anni fa, moquette sia sulla superficie terrestre che su quella del fondo marino.

I ricercatori mostrano che la lunghezza del giorno più lunga aumenta la quantità di ossigeno rilasciata dai tappetini microbici fotosintetici. quella constatazione, a sua volta, indica un legame precedentemente non considerato tra la storia dell'ossigenazione della Terra e la sua velocità di rotazione. Mentre la Terra ora gira sul suo asse una volta ogni 24 ore, la durata del giorno era forse di appena 6 ore durante l'infanzia del pianeta.

I risultati del team sono previsti per la pubblicazione il 2 agosto sulla rivista Geoscienze naturali .

Gli autori principali sono Judith Klatt del Max Planck Institute for Marine Microbiology e Arjun Chennu del Leibniz Center for Tropical Marine Research. Klatt è un ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio del geomicrobiologo Gregory Dick dell'Università del Michigan, che è uno dei due autori corrispondenti dello studio. Gli altri coautori provengono dalla UM e dalla Grand Valley State University.

"Una domanda duratura nelle scienze della Terra è stata come ha fatto l'atmosfera terrestre ad ottenere il suo ossigeno, e quali fattori controllavano quando avveniva questa ossigenazione, " disse Dick dal ponte della R/V Storm, una nave da ricerca NOAA di 50 piedi che ha trasportato un team di scienziati e subacquei in un viaggio di raccolta di campioni dalla città di Alpena, Michigan, alla Middle Island Sinkhole, parecchie miglia al largo.

"La nostra ricerca suggerisce che la velocità con cui la Terra ruota, in altre parole, la sua durata del giorno, potrebbe aver avuto un effetto importante sul modello e sui tempi dell'ossigenazione della Terra, " disse Dick, professore presso il Dipartimento di Scienze della Terra e dell'Ambiente della U-M.

I ricercatori hanno simulato il graduale rallentamento della velocità di rotazione della Terra e hanno dimostrato che giorni più lunghi avrebbero aumentato la quantità di ossigeno rilasciata dai primi tappetini cianobatterici in un modo che aiuta a spiegare i due grandi eventi di ossigenazione del pianeta.

Il progetto è iniziato quando il co-autore Brian Arbic, un oceanografo fisico presso il Dipartimento di Scienze della Terra e dell'Ambiente dell'UM, ascoltato una conferenza pubblica sul lavoro di Klatt e notato che i cambiamenti di durata del giorno potrebbero svolgere un ruolo, nel tempo geologico, nella storia della fotosintesi che il laboratorio di Dick stava sviluppando.

I cianobatteri hanno una cattiva reputazione in questi giorni perché sono i principali colpevoli dietro le antiestetiche e tossiche fioriture di alghe che affliggono il lago Erie e altri corpi idrici in tutto il mondo.

Ma questi microbi, precedentemente note come alghe blu-verdi, esistono da miliardi di anni e sono stati i primi organismi a capire come catturare l'energia dalla luce solare e usarla per produrre composti organici attraverso la fotosintesi, rilasciando ossigeno come sottoprodotto.

Le masse di questi semplici organismi che vivono nei mari primordiali sono accreditate con il rilascio di ossigeno che in seguito ha consentito l'emergere di animali multicellulari. Il pianeta è stato lentamente trasformato da un pianeta con quantità evanescenti di ossigeno a livelli atmosferici odierni di circa il 21%.

Al Middle Island Sinkhole nel Lago Huron, i cianobatteri produttori di ossigeno viola competono con i batteri ossidatori di zolfo bianchi che usano lo zolfo, non la luce del sole, come loro principale fonte di energia.

In una danza microbica ripetuta ogni giorno sul fondo del Middle Island Sinkhole, fogli vaporosi di microbi viola e bianchi fanno a gara per la posizione man mano che la giornata avanza e le condizioni ambientali cambiano lentamente. I batteri bianchi che mangiano zolfo coprono fisicamente i cianobatteri viola al mattino e alla sera, bloccando il loro accesso alla luce solare e impedendo loro di svolgere la fotosintesi che produce ossigeno.

Ma quando i livelli di luce solare aumentano fino a una soglia critica, i batteri che ossidano lo zolfo migrano di nuovo al di sotto dei cianobatteri fotosintetici, permettendo loro di iniziare a produrre ossigeno.

La migrazione verticale di batteri che ossidano lo zolfo è stata osservata in precedenza. La novità è che gli autori del Geoscienze naturali studio sono i primi a collegare questi movimenti microbici, e i tassi risultanti di produzione di ossigeno, al cambiamento della lunghezza del giorno nel corso della storia della Terra.

"Due gruppi di microbi nelle stuoie di Middle Island Sinkhole competono per la posizione più alta, con batteri ossidanti lo zolfo che a volte ombreggiano i cianobatteri fotosinteticamente attivi, "Klatt ha detto durante l'elaborazione di un campione di carota dalle stuoie microbiche Middle Island Sinkhole in un laboratorio Alpena. "È possibile che un simile tipo di competizione tra i microbi abbia contribuito al ritardo nella produzione di ossigeno sulla Terra primordiale".

Una chiave per comprendere il collegamento proposto tra il cambiamento della lunghezza del giorno e l'ossigenazione della Terra è che i giorni più lunghi estendono il periodo di luce intensa pomeridiana, permettendo ai cianobatteri fotosintetici di produrre più ossigeno.

"L'idea è che con una durata del giorno più breve e una finestra più breve per condizioni di luce elevata nel pomeriggio, quei batteri bianchi che mangiano zolfo sarebbero in cima ai batteri fotosintetici per porzioni più grandi della giornata, limitare la produzione di ossigeno, "Disse Dick mentre la barca dondolava sulle acque agitate, ormeggiata a un paio di centinaia di metri da Middle Island.

Si ritiene che gli attuali microbi del Lago Huron siano buoni analoghi per gli organismi antichi in parte perché l'ambiente estremo sul fondo della Middle Island Sinkhole assomiglia probabilmente alle dure condizioni che prevalevano nei mari poco profondi della Terra primitiva.

Il lago Huron è alla base di calcare vecchio di 400 milioni di anni, roccia dolomitica e gessosa che si è formata dai mari di acqua salata che un tempo ricoprivano il continente. Col tempo, il movimento delle acque sotterranee ha dissolto parte di quel substrato roccioso, formando grotte e fessure che in seguito sono crollate per creare doline sia a terra che sommerse nei pressi di Alpena.

Freddo, povero di ossigeno, acque sotterranee ricche di zolfo penetrano oggi nel fondo del Middle Island Sinkhole di 300 piedi di diametro, allontanando la maggior parte delle piante e degli animali ma creando una casa ideale per alcuni microbi specializzati.

La squadra di Dick, in collaborazione con il coautore Bopaiah Biddanda dell'Annis Water Resources Institute presso la Grand Valley State University, studia da diversi anni i tappeti microbici sul pavimento di Middle Island Sinkhole, utilizzando una varietà di tecniche. Con l'aiuto dei subacquei del Thunder Bay National Marine Sanctuary della NOAA, che è meglio conosciuto per i suoi naufragi ma ospita anche il Middle Island Sinkhole e molti altri simili, i ricercatori hanno distribuito strumenti sul fondo del lago per studiare la chimica e la biologia là.

Hanno anche portato campioni di tappetini in laboratorio per condurre esperimenti in condizioni controllate.

Klatt ha ipotizzato che il legame tra la durata del giorno e il rilascio di ossigeno possa essere generalizzato a qualsiasi dato ecosistema di mat, basata sulla fisica del trasporto dell'ossigeno. Ha collaborato con Chennu per condurre studi di modellazione dettagliati per mettere in relazione i processi di stuoia microbica con modelli su scala terrestre su scale temporali geologiche.

Gli studi di modellazione hanno rivelato che la lunghezza del giorno fa, infatti, forma il rilascio di ossigeno dai tappetini.

"Semplicemente parlando, c'è solo meno tempo per l'ossigeno di lasciare il tappetino in giorni più brevi, " ha detto Clatt.

Ciò ha portato i ricercatori a ipotizzare un possibile legame tra giornate più lunghe e l'aumento dei livelli di ossigeno atmosferico. I modelli mostrano che questo meccanismo proposto potrebbe aiutare a spiegare il caratteristico modello graduale dell'ossigenazione della Terra, così come la persistenza di periodi di scarso ossigeno per gran parte della storia del pianeta.

Durante la maggior parte della storia della Terra, l'ossigeno atmosferico era solo scarsamente disponibile e si ritiene che sia aumentato in due ampie fasi. Il grande evento di ossidazione si è verificato circa 2,4 miliardi di anni fa ed è stato generalmente attribuito ai primi cianobatteri fotosintetizzanti. Quasi 2 miliardi di anni dopo una seconda ondata di ossigeno, noto come evento di ossigenazione neoproterozoica, si è verificato.

La velocità di rotazione della Terra è diminuita lentamente da quando il pianeta si è formato circa 4,6 miliardi di anni fa a causa dell'incessante attrazione della gravità lunare, che crea attrito di marea.