Gli scienziati propongono un nuovo meccanismo mediante il quale l’ossigeno potrebbe essersi inizialmente accumulato nell’atmosfera

Credito: CC0 Pubblico Dominio

Per i primi 2 miliardi di anni della storia della Terra, c’era a malapena ossigeno nell’aria. Mentre alcuni microbi stavano fotosintetizzando nell’ultima parte di questo periodo, l’ossigeno non si era ancora accumulato a livelli che avrebbero avuto un impatto sulla biosfera globale.

Ma da qualche parte circa 2,3 miliardi di anni fa, questo equilibrio stabile e a basso contenuto di ossigeno si è spostato e l’ossigeno ha iniziato ad accumularsi nell’atmosfera, raggiungendo infine i livelli di sostentamento vitale che respiriamo oggi. Questa rapida infusione è conosciuta come il Grande Evento di Ossigenazione, o GOE. Ciò che ha innescato l’evento e ha tirato fuori il pianeta dal suo funk a basso contenuto di ossigeno è uno dei grandi misteri della scienza.

Una nuova ipotesi, proposta dagli scienziati del MIT, suggerisce che l’ossigeno abbia finalmente iniziato ad accumularsi nell’atmosfera grazie alle interazioni tra alcuni microbi marini e minerali nei sedimenti oceanici. Queste interazioni hanno aiutato a prevenire il consumo di ossigeno, innescando un processo di autoamplificazione in cui sempre più ossigeno è stato reso disponibile per accumularsi nell’atmosfera.

Gli scienziati hanno esposto la loro ipotesi utilizzando analisi matematiche ed evolutive, dimostrando che esistevano effettivamente microbi che esistevano prima del GOE e che hanno sviluppato la capacità di interagire con i sedimenti nel modo proposto dai ricercatori.

Il loro studio, che appare in Comunicazioni sulla naturaè il primo a collegare la coevoluzione di microbi e minerali all’ossigenazione terrestre.

“Probabilmente il cambiamento biogeochimico più importante nella storia del pianeta è stata l’ossigenazione dell’atmosfera”, afferma l’autore dello studio Daniel Rothman, professore di geofisica presso il Dipartimento di Scienze della Terra, dell’Atmosfera e del Planetario (EAPS) del MIT. “Mostriamo come le interazioni di microbi, minerali e l’ambiente geochimico hanno agito di concerto per aumentare l’ossigeno nell’atmosfera”.

I coautori dello studio includono l’autore principale Haitao Shang, un ex studente laureato del MIT, e Gregory Fournier, professore associato di geobiologia in EAPS.

un passo avanti

I livelli di ossigeno odierni nell’atmosfera sono un equilibrio stabile tra i processi che producono ossigeno e quelli che lo consumano. Prima del GOE, l’atmosfera manteneva un diverso tipo di equilibrio, con produttori e consumatori di ossigeno in equilibrio, ma in un modo che non lasciava molto ossigeno extra per l’atmosfera.

Cosa potrebbe aver spinto il pianeta da uno stato stabile e carente di ossigeno a un altro stato stabile e ricco di ossigeno?

“Se guardi alla storia della Terra, sembra che ci siano stati due salti, in cui sei passato da uno stato stazionario di ossigeno basso a uno stato stazionario di ossigeno molto più alto, una volta nel Paleoproterozoico, una volta nel Neoproterozoico”, osserva Fournier. “Questi salti non possono essere dovuti a un graduale aumento dell’eccesso di ossigeno. Ci deve essere stato un circuito di feedback che ha causato questo cambiamento di stabilità”.

Lui e i suoi colleghi si sono chiesti se un ciclo di feedback così positivo potesse provenire da un processo nell’oceano che ha reso non disponibile ai consumatori del carbonio organico. Il carbonio organico viene consumato principalmente attraverso l’ossidazione, solitamente accompagnata dal consumo di ossigeno, un processo mediante il quale i microbi nell’oceano utilizzano l’ossigeno per abbattere la materia organica, come i detriti che si sono depositati nei sedimenti. Il team si è chiesto: potrebbe esserci stato un processo mediante il quale la presenza di ossigeno ha stimolato il suo ulteriore accumulo?

Shang e Rothman hanno elaborato un modello matematico che ha fatto la seguente previsione: se i microbi possedessero la capacità di ossidare solo parzialmente la materia organica, la materia parzialmente ossidata, o “POOM”, diventerebbe effettivamente “appiccicosa” e si legherebbe chimicamente ai minerali in sedimentare in modo da proteggere il materiale da un’ulteriore ossidazione. L’ossigeno che altrimenti sarebbe stato consumato per degradare completamente il materiale sarebbe invece libero di accumularsi nell’atmosfera. Questo processo, hanno scoperto, potrebbe fungere da feedback positivo, fornendo una pompa naturale per spingere l’atmosfera in un nuovo equilibrio ad alto contenuto di ossigeno.

“Questo ci ha portato a chiederci, esiste un metabolismo microbico là fuori che ha prodotto POOM?” disse Fourier.

Nei geni

Per rispondere a questo, il team ha cercato nella letteratura scientifica e ha identificato un gruppo di microbi che oggi ossida parzialmente la materia organica nelle profondità oceaniche. Questi microbi appartengono al gruppo batterico SAR202 e la loro parziale ossidazione viene effettuata attraverso un enzima, la monoossigenasi Baeyer-Villiger o BVMO.

Il team ha effettuato un’analisi filogenetica per vedere fino a che punto è possibile risalire al microbo e al gene per l’enzima. Hanno scoperto che i batteri avevano effettivamente antenati che risalivano a prima del GOE e che il gene dell’enzima poteva essere rintracciato in varie specie microbiche, fin dai tempi pre-GOE.

Inoltre, hanno scoperto che la diversificazione del gene, o il numero di specie che hanno acquisito il gene, è aumentato in modo significativo durante i periodi in cui l’atmosfera ha subito picchi di ossigenazione, incluso una volta durante il Paleoproterozoico del GOE e di nuovo nel Neoproterozoico.

“Abbiamo trovato alcune correlazioni temporali tra la diversificazione dei geni che producono POOM e i livelli di ossigeno nell’atmosfera”, afferma Shang. “Questo supporta la nostra teoria generale.”

Per confermare questa ipotesi sarà necessario molto più follow-up, dagli esperimenti in laboratorio alle indagini sul campo e tutto il resto. Con il loro nuovo studio, il team ha introdotto un nuovo sospetto nel caso secolare di ciò che ha ossigenato l’atmosfera terrestre.

“Proporre un nuovo metodo e mostrare prove della sua plausibilità è il primo ma importante passo”, afferma Fournier. “Abbiamo identificato questa come una teoria degna di studio”.


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Maggiori informazioni:
Il metabolismo ossidativo ha catalizzato l’ossigenazione della Terra, Comunicazioni sulla natura (2022).

Fornito dal Massachusetts Institute of Technology

Citazione: Gli scienziati propongono un nuovo meccanismo mediante il quale l’ossigeno potrebbe essersi accumulato per la prima volta nell’atmosfera (2022, 14 marzo) recuperato il 19 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-scientists-mechanism-oxygen-built- atmosfera.html

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