L’aumento dell’ossigeno sulla Terra primordiale è correlato al cambiamento della durata del giorno

Praticamente tutto l’ossigeno sulla Terra era ed è prodotto dalla fotosintesi, inventata da microrganismi, cianobatteri, quando il nostro pianeta era ancora un luogo inabitabile. I cianobatteri si sono evoluti oltre 2,4 miliardi di anni fa, come mostrano le stromatoliti – stuoie microbiche fossilizzate – ma ci sono voluti quasi due miliardi di anni perché la Terra si trasformasse nel pianeta ricco di ossigeno che conosciamo oggi.

“Non capiamo appieno perché ci sia voluto così tanto tempo e i fattori che controllano l’ossigenazione della Terra”, ha detto la microbiologa Judith Clatt. “Ma quando ho studiato le stuoie di cianobatteri nella pozza dell’isola centrale del Lago Huron nel Michigan, che vivono in condizioni simili alla Terra primitiva, ho avuto un’idea”.

Klatt ha lavorato con un team di ricercatori su Greg Dick dell’Università del Michigan per studiare i microbi e i cianobatteri che colonizzano i flussi di acque sotterranee sul fondo del lago Huron, dove i livelli di ossigeno sono molto bassi.

“La vita sul fondo del lago è essenzialmente microbica e funge da controparte operativa alle condizioni che hanno prevalso sul nostro pianeta per miliardi di anni”, afferma Bobby Bedanda, un ecologo microbico collaboratore della Grand Valley State University. “I microbi sono fondamentalmente batteri blu-viola che producono ossigeno che competono con i batteri bianchi che ossidano lo zolfo. I primi generano energia con la luce solare e i secondi con l’aiuto dello zolfo”.

Dal tramonto all’alba, i batteri che mangiano zolfo si trovano sopra i cianobatteri, bloccando il loro accesso alla luce solare. Quando il sole sorge al mattino, i mangiatori di zolfo scendono e i cianobatteri salgono sulla superficie del tappeto.

Ora possono iniziare la fotosintesi e produrre ossigeno. Tuttavia, ci vogliono alcune ore prima che inizino davvero e c’è un lungo ritardo al mattino. Clatt ha spiegato che i cianobatteri sono un tipo di chi si alza più tardi rispetto alle persone che si alzano al mattino.

Di conseguenza, il loro tempo per la fotosintesi è limitato a poche ore al giorno.

Quando Brian Arbeck, un fisico oceanografo dell’Università del Michigan, ha sentito parlare di questo cambiamento microbico quotidiano, ha posto una domanda intrigante: “Questo potrebbe significare che cambiare la lunghezza del giorno avrebbe influenzato la fotosintesi nella storia della Terra?”

La durata del giorno sulla Terra non era sempre di 24 ore. “Quando si è formato il sistema Terra-Luna, i giorni erano molto più brevi, forse anche sei ore”, ha spiegato Arbeck. Poi la rotazione del nostro pianeta rallentò a causa dell’attrazione gravitazionale della luna e dell’attrito delle maree, e le giornate aumentarono. Alcuni ricercatori suggeriscono anche che il rallentamento della rotazione terrestre si sia bloccato per circa un miliardo di anni, in coincidenza con un periodo prolungato di diminuzione dei livelli globali di ossigeno. Dopo questa interruzione, quando la rotazione della Terra ha ricominciato a rallentare circa 600 milioni di anni fa, si è verificato un altro importante cambiamento nelle concentrazioni globali di ossigeno.

Dopo aver notato la sorprendente somiglianza tra il modello di ossigenazione della Terra e il tasso di circolazione su scale temporali geologiche, Klatt era incuriosito dall’idea che potesse esserci un collegamento tra i due.

“Mi sono reso conto che la durata del giorno e il rilascio di ossigeno dai tappetini microbici sono legati a un concetto molto semplice e basilare: durante i giorni brevi, c’è meno tempo per lo sviluppo dei gradienti e quindi meno ossigeno può fuoriuscire dai tappetini”, ha postulato Klatt.

Klatt ha collaborato con Arjun Chennu, che ha lavorato anche presso l’Istituto Max Planck per la microbiologia marina e ora guida il proprio gruppo presso il Centro Leibniz per la ricerca sul mare tropicale (ZMT) a Brema. Basandosi sul software open source sviluppato da Chennu per questo studio, hanno studiato come la dinamica della luce solare è correlata al rilascio di ossigeno dai tappetini.

L’intuizione suggerisce che due giorni di 12 ore dovrebbero essere uguali a un giorno di 24 ore. La luce del sole sale e scende due volte più velocemente e la produzione di ossigeno segue a un ritmo costante. Ma il rilascio di ossigeno dalle stuoie batteriche non avviene, perché è limitato dalla velocità di diffusione molecolare. Questa precisa separazione dell’ossigeno emesso dalla luce solare è il cuore del meccanismo, ha detto Chino.

Per capire come i processi che si verificano in un solo giorno possono influenzare l’ossigeno a lungo termine, Klatt e i suoi colleghi hanno combinato i loro risultati con modelli globali dei livelli di ossigeno. L’analisi suggerisce che l’aumento del rilascio di ossigeno dovuto al cambiamento della durata del giorno potrebbe aver aumentato i livelli di ossigeno a livello globale. È un collegamento tra l’attività dei microrganismi e i processi globali.

Mettiamo in relazione leggi della fisica che operano a livelli molto diversi, dalla diffusione molecolare alla meccanica planetaria. Stiamo dimostrando che esiste un legame fondamentale tra la durata del giorno e la quantità di ossigeno che i microbi che vivono sulla Terra possono rilasciare”, ha detto Chino. “È molto eccitante. È così che mettiamo in relazione la danza delle molecole nel tappeto microbico con la danza del nostro pianeta e della luna».

In generale, i due principali eventi ossidativi (salti nella concentrazione di ossigeno) nella storia della Terra, l’evento della Grande Ossidazione più di 2 miliardi di anni fa e l’evento dell’ossidazione dopo, possono essere correlati all’aumento della durata del giorno. Quindi, l’aumento della lunghezza del giorno potrebbe aver aumentato la produttività bentonica netta abbastanza da influenzare i livelli di ossigeno atmosferico. Klatt conclude: “La manipolazione di una così ampia gamma di scale temporali e spaziali è stata sbalorditiva e molto divertente”.

il La ricerca è stata pubblicata come documento ad accesso aperto sulla rivista scienze naturali della terra.