I controlli biotici e abiotici sui principali cambiamenti nell’ossigeno atmosferico e la persistenza di periodi di scarsa quantità di ossigeno per la maggior parte della storia della Terra rimangono in discussione. Le spiegazioni del modello graduale di ossigenazione della Terra hanno per lo più trascurato l’effetto del cambiamento della dinamica dell’illuminazione diel legata alla lunghezza del giorno, che è aumentata nel tempo geologico a causa della decelerazione rotazionale della Terra causata dall’attrito delle correnti.
Secondo una nuova ricerca pubblicata su Nature Geosciences, gli animali potrebbero essersi evoluti perché la rotazione della Terra è rallentata, con il risultato di giorni più lunghi e più ossigeno .
Anche se sembra fantascienza, le ore di luce sulla Terra non hanno avuto sempre la stessa durata. Molto tempo fa, il nostro pianeta ruotava molto più velocemente. Si stima che 4 miliardi di anni fa la durata del giorno fosse di sole 6 ore! Da allora la velocità di rotazione del nostro pianeta è diminuita (anche se leggermente) e gli scienziati hanno attribuito questo rallentamento in gran parte alle maree oceaniche.
Mentre l’acqua di mare scorre per seguire l’attrazione gravitazionale della luna, avvicinandosi al fondale si crea una sorta di attrito con il fondo. Sembra che questo attrito sia alla base del rallentamento rotazionale dato che l’energia rotazionale si indebolisce.
La Terra che ruota attraverso i cicli diurni e notturni.
Lunghezza del giorno attraverso il tempo geologico
Esaminando un profilo della durata del giorno attraverso il tempo geologico, un team di scienziati tedeschi ed americani ha notato che un forte aumento della durata del giorno si è verificato più o meno nello stesso periodo di un aumento dell’ossigeno atmosferico. Per gran parte dei 4,5 miliardi di anni di storia del nostro pianeta, non c’era ossigeno nell’atmosfera. Ha iniziato ad accumularsi solo circa 2,4 miliardi di anni fa, in un evento noto come il Grande Evento di Ossidazione (o GEO). Curiosamente, la durata del giorno sembra aumentare più o meno nello stesso periodo.
Varie stime della durata del giorno e delle concentrazioni di ossigeno atmosferico ( nel tempo geologico, da 3,5 miliardi di anni fa ad oggi. Nel periodo in cui la durata del giorno aumenta (2,4 miliardi di anni fa), aumentano anche le concentrazioni di ossigeno atmosferico.
Questa coincidenza ha portato i ricercatori a chiedersi se la durata del giorno e l’ossigenazione atmosferica fossero collegate. Ma perché la durata del giorno dovrebbe influenzare le concentrazioni di ossigeno nell’atmosfera? La squadra di ricercatori si è recata alla Middle Island Sinkhole (piccola isola nel lago Huron nel Michigan. USA) per scoprirne il motivo.
I cicli di luce influenzano i microrganismi
Gli scienziati hanno scelto di indagare sul Middle Island Sinkhole perché ospita spessi strati di microrganismi bentonici, che ricoprono il fondo del lago e prosperano in condizioni di scarso ossigeno, proprio come gli antichi batteri che abitavano la Terra. Nelle matte ci sono tre gruppi principali di microrganismi, che vivono in perpetua competizione tra loro:
- Cianobatteri che grazie alla fotosintesi producono ossigeno.
- I batteri solforiduttori detti anche solfobatteri, capaci di compiere la respirazione anaerobica utilizzando come accettori di elettroni numerosi composti ossidati dello zolfo riducendoli parzialmente ad H2S.
- I batteri solfo-ossidanti capaci di ossidare il ferro, lo zolfo e i solfuri a solfati (Thiobacillus thiooxydans, Thiobacillus ferroxidians).
1) Cianobatteri: CO 2 + H 2 O (+ luce) —> CH 2 O + O 2
2) Batteri di zolfo viola: CO 2 + 2H 2 S (+ luce) –> CH 2 O + 2S + H 2 O
3) Batteri ossidanti dello zolfo: 2O 2 + H 2 S –> SO 4 2- + 2H +
Durante il giorno, questi microrganismi competono per le risorse. Quando il sole sorge, entrambi i tipi di foto-sintetizzatori (cianobatteri e batteri dello zolfo) migrano a monte del substrato per sfruttare i raggi del sole, mentre i batteri ossidanti dello zolfo migrano verso il basso per catturare i solfuri. I cianobatteri iniziano a produrre ossigeno, che si accumula gradualmente nella superficie bentonica. Quando il sole tramonta, i batteri ossidanti dello zolfo prendono il sopravvento, migrando verso la parte superiore e consumando l’ossigeno che è stato prodotto durante il giorno. Poi, il sole sorge di nuovo e il ciclo ricomincia.
Il team scientifico voleva capire quando e quanto ossigeno veniva prodotto da queste comunità microbiche. I ricercatori hanno inserito piccoli micro-sensori sui fondali di Middle Island Sinkhole per monitorare le concentrazioni di ossigeno.
Il team ha infatti scoperto che le concentrazioni di ossigeno erano più alte durante le ore diurne, quando i cianobatteri lavoravano. Tuttavia, c’è stato un ritardo significativo tra l’alba e l’inizio della produzione di ossigeno (perché i fotosintetizzatori avevano ancora bisogno di tempo per migrare verso l’alto). Inoltre, i ricercatori si sono resi conto che anche una volta prodotto l’ossigeno, non poteva sfuggire immediatamente al tappeto microbico. Doveva prima accumularsi in concentrazioni abbastanza alte prima di disperdersi in acqua.
Quest’ultimo punto è importante. L’ossigeno che non è sfuggito alla matte microbica entro la fine della giornata viene rapidamente consumato dai batteri ossidanti lo zolfo durante la notte. I ricercatori hanno concluso che se le lunghezze del giorno fossero più brevi, non ci sarebbe abbastanza tempo per l’accumulo di ossigeno a concentrazioni abbastanza alte da sfuggire.
Misure del microsensore di ossigeno in un tappeto nel Middle Island Sinkhole nel corso di un giorno. La scala dei colori indica la concentrazione di ossigeno, mentre l è una misura dell’intensità della luce sulla superficie del tappetino. Solo nel tardo pomeriggio (circa le 15:00) le concentrazioni di ossigeno sono aumentate in modo significativo. (Fonte immagine: Klatt et al., 2021, Figura 3a)
Il potere delle orrenti
Gli esperimenti a Middle Island Sinkhole hanno rivelato che più lunga è la durata del giorno, più tempo ha avuto l’ossigeno appena creato per entrare nella colonna d’acqua (e dopo, nell’atmosfera). I ricercatori hanno calcolato che lunghezze del giorno superiori a + di 16 ore hanno portato alla fuoriuscita di ossigeno. E quando nella storia della Terra stimiamo che le lunghezze del giorno siano diventate più lunghe di 16 ore? Intorno al tempo del Grande Evento di Ossidazione.
Se immaginiamo che questi tappeti microbici siano stati diffusi in tutto il pianeta 2,4 miliardi di anni fa (come probabilmente lo erano), i ricercatori sostengono che potrebbe essere stato prodotto abbastanza ossigeno a livello globale per alterare la composizione della nostra atmosfera. I ricercatori suggeriscono anche che potremmo usare queste informazioni per informare la ricerca della vita su altri pianeti. Se un pianeta lontano ha una velocità di rotazione molto veloce (o molto lenta), quale sarà la probabilità di trovare vita lì?
Questo studio fornisce una dimostrazione formidabile della potenza delle maree. Dopotutto, potrebbero aver permesso la vita come la conosciamo.
