Come nacque e aumentò di quantità l’ossigeno dell’atmosfera terrestre?

Un team internazionale di scienziati, appartenenti alle statunitensi Rice University, Texas e Yale University, Connecticut, in collaborazione con la University of Tokio, ha formulato nuove ipotesi sui processi con cui il nostro pianeta avrebbe potuto acquisire l’atmosfera ricca di ossigeno che lo caratterizza e che ha consentito lo sviluppo ed il mantenimento della vita.

Il nuovo modello, che attinge a diverse discipline (Petrologia, Geodinamica, Vulcanologia e Geochimica), ha elaborato i risultati che sono comparsi di recente sulla rivista Nature Geosciences.

Questi risultati suggeriscono che l’aumento di ossigeno nell’atmosfera terrestre è conseguente alle origini della vita ed alla formazione dei continenti ad opera della tettonica delle placche.

“E’ davvero un’idea molto semplice, ma assumendola interamente, non occorrono grandi sforzi  per capire come funziona la macchina-Terra”, afferma Cin-Ty Lee, docente di Scienze della Terra presso la Rice e autore leader dello studio. “L’analogia che uso più spesso è quella di una vasca da bagno che perde. Il livello costante dell’acqua nella vasca è mantenuto dal rapporto tra la quantità d’acqua che entra dal rubinetto aperto e la quantità d’acqua che esce dal tubo di scarico.

Le piante e alcuni tipi di batteri producono ossigeno come sottoprodotto della fotosintesi.

Questa produzione di ossigeno è bilanciata dalla reazione dell’ossigeno con il ferro e lo zolfo della crosta terrestre e il legame formato con il carbonio organico. Infatti, noi respiriamo ossigeno ed espiriamo anidride carbonica, assorbendo sostanzialmente ossigeno dall’atmosfera.

La storia dell’ossigeno atmosferico comprende anche le sorgenti e i pozzi terrestri, ma la descrizione di come questo sia avvenuto in 3 miliardi di anni è più complessa”.

Lee ha avuto come co-autori Laurence Yeung e Adrian Lenardic, entrambi della Rice; Ryan McKenzie, dell’Università di Yale e Yusuke Yokoyama, dell’Università di Tokio.

Le ipotesi di questi ricercatori si basano su un nuovo modello che suggerisce come l’ossigeno atmosferico sia stato immesso nell’atmosfera terrestre in due momenti principali, uno verso i due miliardi di anni fa e l’altro intorno ai 600 milioni di anni fa.

Oggi, circa il 20 per cento dell’atmosfera è costituito da ossigeno molecolare libero, ossia O2.

In questa condizione, la molecola è biatomica e non è legata ad altri elementi, come lo sono gli atomi di ossigeno negli altri gas atmosferici, quali l’anidride carbonica e l’anidride solforosa.

Per gran parte dei 4,5 miliardi di anni nella storia della Terra, nell’atmosfera l’ossigeno libero era praticamente inesistente.

Ma questa assenza non è legata alla rarità.

“L’ossigeno non è mancato perché era raro”, sostiene Lee. “L’ossigeno è uno degli elementi più abbondanti sui pianeti rocciosi, Marte, Venere e la Terra. Tuttavia, è anche uno degli elementi più reattivi. L’ossigeno forma forti legami chimici con molti altri elementi e, di conseguenza, tende ad essere presente solo nei composti, come gli ossidi, che restano però sepolti nelle viscere del pianeta, all’interno delle rocce.

In questo senso, la Terra non fa eccezione rispetto agli altri pianeti; la quasi totalità del suo ossigeno rimane intrappolato in profondità”.

Lee e colleghi hanno dimostrato che circa 2,5 miliardi di anni fa la composizione della crosta continentale terrestre cambiò radicalmente.

Si trattò del periodo che coincise con il primo aumento di ossigeno atmosferico, caratterizzato dalla comparsa di abbondanti grani minerali conosciuti come zirconi.

“La presenza di zircone è significativa”, dice Lee. “Gli zirconi cristallizzano da rocce fuse aventi particolare composizione e il loro aspetto indica un cambiamento profondo nel vulcanismo che, da povero in silice, diviene ricco in silice. Il legame con la composizione atmosferica è che le rocce ricche  di silice hanno molto meno ferro e zolfo delle rocce povere di silice; e ferro e zolfo reagiscono con l’ossigeno, provocando una diminuzione di ossigeno libero.

“Sulla base di questo, riteniamo che il primo aumento di ossigeno possa essere dovuto ad una sostanziale diminuzione di ossigeno sottratto all’atmosfera”, afferma Lee. “In analogia con la vasca, questo è equivalente alla parte da collegare allo scarico”.

Il secondo incremento di ossigeno atmosferico è da collegarsi, invece, ad un cambiamento nella produzione, analogamente all’aumento del flusso d’acqua proveniente dal rubinetto.

“L’analogia con la vasca da bagno è semplice, ma c’è una complicazione che va presa in considerazione”, dichiara Lee. “Questo perché la produzione di ossigeno è, in ultima analisi, legata al ciclo globale del carbonio tra la Terra, la biosfera, l’atmosfera e gli oceani”.

Il modello ha mostrato che questo ciclo del carbonio non è mai stato in equilibrio perché il carbonio fuoriesce lentamente come anidride carbonica dalle profondità verso la superficie della Terra per mezzo dell’attività vulcanica. L’anidride carbonica è infatti uno degli ingredienti chiave per il processo della fotosintesi.

“Nei lunghi tempi geologici il carbonio viene rimosso dall’atmosfera dalla produzione di forme ‘condensate’ di carbonio, come il carbonio organico e i minerali chiamati ‘carbonati’, spiega Lee. “Per gran parte della storia della Terra, la maggiore percentuale di questo carbonio non è stato depositato nelle profondità oceaniche, ma ai margini dei continenti. Le implicazioni sono decisive, perché il carbonio depositato sui margini continentali non ritorna all’interno della Terra, mentre ne viene facilitato l’ingresso nell’atmosfera allorché i continenti vengono con il tempo disturbati dal vulcanesimo”.

Il modello di Lee ha dimostrato che, con il tempo, l’attività vulcanica e altre fonti di natura geologica avrebbero facilitato l’immissione di carbonio in atmosfera e dato che la produzione di carbonio è legata alla produzione di ossigeno, anche quest’ultima sarebbe stata favorita, con un conseguente aumento di quantità.

Questo sarebbe stato il secondo aumento di ossigeno, il più recente.

“Indipendentemente dal modello, quello che è chiaro è che la formazione di crosta continentale porta naturalmente a due aumenti di ossigeno atmosferico, in accordo con i dati forniti dai fossili”, afferma Lee.

Cosa possa aver causato il cambiamento della composizione della crosta durante il primo evento di ossigenazione rimane un mistero ma, secondo il team, questo evento potrebbe essere

correlato con la comparsa della tettonica a placche, quando la superficie terrestre è divenuta sufficientemente mobile da sprofondare di nuovo nell’interno della Terra.

Lee riconosce che il modello proposto non è esente da critiche.

Ad esempio, si assume che la produzione di anidride carbonica debba aumentare col tempo, fenomeno che sappiamo non esser veritiero, dato che la produzione di anidride carbonica e la sua immissione in atmosfera è diminuita costantemente negli ultimi 4 miliardi di anni.

“La variazione di flusso prevista dal modello avviene su tempi estremamente lunghi e sarebbe un errore pensare che questi processi che porterebbero a cambiamenti atmosferici si verifichino a causa di cambiamenti climatici legati all’antropizzazione”, asserisce Lee. “Tuttavia, il nostro studio suggerisce che scienziati e astrobiologi rivedano quanto si conosce sulla storia antica del nostro pianeta”.

Leonardo Debbia