Uno dei misteri ancora irrisolti sulla storia della Terra è il modo in cui il pianeta è diventato ossigenato e traspirante miliardi di anni fa. Ora, un nuovo studio afferma che il colpevole potrebbe essere stata la gigantesca lastra di roccia che costituisce il guscio esterno della Terra.
Mentre queste cosiddette placche si muovevano, in un processo chiamato tettonica a placche, avrebbero seppellito resti ricchi di carbonio di creature morte sotto le altre placche mentre scivolavano al di sotto. Nel mantello terrestre, sotto la crosta, il carbonio non sarebbe in grado di reagire con l'ossigeno, lasciando questo ingrediente vitale nell'atmosfera, hanno detto gli scienziati.
Fino al Grande Evento di Ossigenazione, l'atmosfera del pianeta era un mix di azoto, anidride carbonica, vapore acqueo e metano. Quindi, 2,5 miliardi di anni fa, una classe di creature monocellulari ha iniziato a utilizzare quell'anidride carbonica e produrre ossigeno come prodotto di scarto. Ma l'ossigeno è altamente reattivo; le reazioni con rocce superficiali e carbonio che filtra dai resti di organismi morti impoverirebbero rapidamente l'elemento.
Seppellire il carbonio
Il nuovo studio di Megan Duncan e Rajdeep Dasgupta alla Rice University in Texas ipotizzava che il carbonio delle creature morte fosse spinto sotto la crosta terrestre, o subdotto, per formare grafiti e diamanti antichi. Come tale, ha detto il duo, il Great Oxygenation Event è stato, in parte, guidato dall'avvio della "moderna" tettonica a zolle, in cui la crosta terrestre è divisa in enormi placche che si scontrano, si scuotono e scivolano l'una sopra l'altra.
Il processo è stato abbastanza efficiente che il carbonio non ha avuto il tempo di reagire con l'ossigeno, quindi l'ossigeno, il prodotto di scarto di tutte quelle prime creature, è rimasto nell'atmosfera e si è accumulato vicino ai livelli visti oggi. Il risultato: un'atmosfera suscettibile ai futuri respiratori di ossigeno.
"Questo lavoro è iniziato considerando i processi che avvengono oggi nelle zone di subduzione", ha detto Duncan a Live Science. "E poi mi chiedo cosa sia successo nelle antiche zone di subduzione."
Duncan ha usato un modello al computer dell'atmosfera che mostra una reazione tra anidride carbonica e acqua. Quando i due reagiscono, producono ossigeno molecolare (composto da due atomi di ossigeno) e formaldeide (un composto composto da carbonio, idrogeno e ossigeno). La formaldeide non è necessariamente ciò che le creature viventi avrebbero effettivamente prodotto; è un sostituto per i composti organici più complessi del carbonio, ha detto Duncan.
Di solito, quella reazione è bilanciata; l'ossigeno torna indietro per produrre più anidride carbonica (CO2) e acqua, lasciando un'atmosfera priva di ossigeno. È qui che entra in gioco la tettonica a zolle, hanno detto i ricercatori. Secondo il nuovo studio, le piastre di spinta spingevano sottoterra tutta la formaldeide, lasciando l'aria con più ossigeno. Nel frattempo, senza la formaldeide che guida la reazione chimica "equilibrata", la CO2 in eccesso rimarrebbe nell'atmosfera, aiutando i respiratori di CO2 a prosperare e produrre ancora più ossigeno come rifiuto, i ricercatori hanno scoperto nel loro modello al computer.
Tenere sotto controllo il carbonio
Per verificare la loro ipotesi, i ricercatori hanno usato entrambe le misurazioni più vecchie di carbonio nelle antiche croste e esperimenti di laboratorio. In alcuni diamanti antichi, ad esempio, c'è una certa quantità di carbonio-13, un isotopo di carbonio che si trova nei tessuti degli organismi viventi. Questi dati hanno mostrato che una certa quantità di carbonio organico è chiaramente entrata nel mantello (sotto la crosta terrestre), hanno detto i ricercatori.
La domanda successiva era se il carbonio sarebbe rimasto lì. Duncan sciolse un pezzo di vetro silicato e vi aggiunse grafite. Il vetro simulava l'antica crosta e la grafite rappresentava il carbonio degli organismi, ha detto Duncan. Ha quindi aumentato la pressione e la temperatura, iniziando a circa 14.800 atmosfere di pressione e aumentandola a 29.000 atmosfere (che è di circa 435.000 libbre per pollice quadrato). I risultati hanno mostrato che il carbonio potrebbe dissolversi nella roccia nelle condizioni probabilmente presenti nel primo manto terrestre, secondo lo studio. Il risultato ha anche mostrato che il carbonio sarebbe probabilmente rimasto sotto la crosta per milioni di anni prima che i vulcani lo esplodessero di nuovo, ha detto lo studio.
Individuare l'esatto meccanismo per il Great Oxygenation Event non sarà facile, ha detto Duncan, e probabilmente ha coinvolto diversi meccanismi, non solo uno. Una sfida è la cronologia di quando è iniziata la subduzione, ha detto.
"Se i moderni processi tettonici a placche sono sempre stati in azione, questo non funziona", ha detto Duncan. Altre linee di prova sembrano dimostrare che all'inizio la Terra potrebbe non aver avuto inizialmente la tettonica a zolle e che il processo è iniziato in seguito, ha aggiunto Duncan.
"Dipende anche da quanto carbonio organico è stato rimosso dalla superficie", ha scritto Duncan in un'e-mail. "Quanto carbonio organico è arrivato al fondo dell'oceano (che probabilmente dipende dall'antica chimica dell'oceano). Sappiamo che succede oggi. Possiamo uscire e misurarlo. Lo vediamo nelle rocce antiche e potenzialmente nei diamanti, quindi noi credo che il carbonio organico fosse presente e subdotto nel corso della storia della Terra. "
Il problema sta ponendo limiti esatti su quanto e quanto velocemente, ha detto.
Tim Lyons, professore di biogeochimica presso la University of California Riverside, ha convenuto che collegare questo modello al record noto nelle rocce è una sfida. "Una delle mie domande è se quei dati possano essere legati a un record solido per la storia della subduzione", ha detto Lyons.
"Ci sono stati molti meccanismi proposti per causare il GOE; nessuno, da solo, è in grado di ricreare l'entità dell'aumento di O2 che si osserva dalla documentazione", ha detto Duncan. "È stata probabilmente una combinazione di molti di questi meccanismi, inclusa la subduzione, che ha permesso ai livelli di O2 di aumentare e mantenersi per il resto della storia della Terra."
Lo studio è apparso (25 aprile) sulla rivista Nature Geoscience.
