Praticamente tutto l’ossigeno sulla Terra era ed è prodotto dalla fotosintesi, che è stata inventata da minuscoli organismi, i cianobatteri, quando il nostro pianeta era ancora un luogo poco amichevole per la vita come la vediamo oggi.
I cianobatteri si sono evoluti più di 2,4 miliardi di anni fa, ma la Terra si è trasformata molto lentamente nel pianeta ricco di ossigeno che conosciamo oggi. “Non comprendiamo appieno perché ci sia voluto così tanto tempo e quali fattori abbiano influito sull’ossigenazione dell’atmosfera terrestre“, ha affermato la geomicrobiologa Judith Klatt.
“Ma quando ho studiato le stuoie di cianobatteri nella Middle Island Sinkhole nel lago Huron nel Michigan, che vivono in condizioni simili alla Terra primitiva, ho avuto un’idea“.
Mappa del bacino dei Grandi Laghi che mostra il contesto geologico. La freccia e il cerchio rosso indicano la posizione di diverse doline sommerse del Lago Huron, inclusa la Middle Island Sinkhole. Credito: Figura da Biddanda et al. 2012, pubblicato su Nature Education Knowledge e originariamente tratto da Granneman et al. 2000
L’intervento dei cianobatteri
Klatt ha lavorato insieme a un team di ricercatori coordinato Greg Dick dell’Università del Michigan. L’acqua nella Middle Island Sinkhole, dove le acque sotterranee fuoriescono dal fondo del lago, è molto povera di ossigeno.
“La vita sul fondo del lago è principalmente microbica e funge da analogo funzionante per le condizioni prevalenti sul nostro pianeta per miliardi di anni“, afferma Bopi Biddanda, un ecologo collaboratore della Grand Valley State University.
I batteri coinvolti sono principalmente cianobatteri viola produttori di ossigeno che competono con i batteri ossidanti dello zolfo bianco. I primi generano energia con la luce solare, i secondi con l’aiuto dello zolfo.
Stuoie microbiche viola nella Middle Island Sinkhole nel Lago Huron, giugno 2019. Piccole colline e “dita” come questa nelle stuoie sono causate da gas come il metano e l’idrogeno solforato che gorgogliano sotto di loro. Credito: Phil Hartmeyer, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary
Per sopravvivere, questi batteri eseguono una piccola danza ogni giorno: dal tramonto all’alba, i batteri che mangiano zolfo si trovano sopra i cianobatteri, bloccando il loro accesso alla luce solare. Quando esce il Sole al mattino, i mangiatori di zolfo si spostano verso il basso ed i cianobatteri salgono sulla superficie del tappeto.
“A quel punto possono iniziare a fotosintetizzare e produrre ossigeno“, ha spiegato Klatt. “Tuttavia, ci vogliono alcune ore prima che si mettano davvero in moto, c’è un lungo ritardo al mattino. I cianobatteri si alzano piuttosto tardi rispetto alle persone mattiniere, a quanto pare”.
Di conseguenza, la fotosintesi che effettuano questi batteri è limitata a poche ore al giorno. Quando Brian Arbic, un oceanografo fisico dell’Università del Michigan, ha sentito parlare di questa danza microbica, ha sollevato una domanda intrigante.
L’effetto del rallentamento della rotazione terrestre sui cianobatteri
La durata del giorno sulla Terra non è sempre stata di 24 ore. “Quando si è formato il sistema Terra-Luna, i giorni erano molto più brevi, forse anche solo sei ore“, ha spiegato Arbic. Poi la rotazione terrestre rallentò a causa della forza di gravità della Luna e dell’attrito delle maree, e le giornate si allungarono.
Alcuni ricercatori suggeriscono anche che la decelerazione della rotazione terrestre sia stata interrotta per circa un miliardo di anni, in coincidenza con un lungo periodo di bassi livelli globali di ossigeno. Dopo quell’interruzione, quando la rotazione terrestre ricominciò a rallentare circa 600 milioni di anni fa, si è verificata un’altra importante transizione nelle concentrazioni globali di ossigeno.
Dopo aver notato la sorprendente somiglianza tra il modello dell’ossigenazione della Terra e la velocità di rotazione su scale temporali geologiche, Klatt è stato affascinato dal pensiero che potesse esserci un legame tra i due – un legame che andava oltre il ritardo della fotosintesi dei “mattinieri” osservato nel Middle Island Sinkhole.
“Mi sono reso conto che la lunghezza del giorno e il rilascio di ossigeno dai tappeti microbici sono legati a un concetto molto semplice e fondamentale: durante i giorni brevi, c’è meno tempo per lo sviluppo dei gradienti e quindi i tappeti microbici sintetizzano meno ossigeno“, ha ipotizzato Klatt.
Dalle stuoie batteriche all’ossigeno globale
Klatt ha collaborato con Arjun Chennu, che poi 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 marina tropicale (ZMT) a Brema.
Basandosi su un software open source sviluppato da Chennu per questo studio, hanno studiato come le dinamiche della luce solare si collegano al rilascio di ossigeno dai tappeti.
“L’intuizione suggerisce che due giorni di 12 ore dovrebbero essere simili a un giorno di 24 ore. La luce del sole sale e scende due volte più velocemente e la produzione di ossigeno segue di pari passo. Ma il rilascio di ossigeno dalle stuoie batteriche no, perché è limitato dalla velocità di diffusione molecolare. Questo sottile disaccoppiamento del rilascio di ossigeno dalla luce solare è al centro del meccanismo“, ha affermato Chennu.
Per capire come i processi che si verificano in un giorno possono influire sull’ossigenazione a lungo termine, Klatt e i suoi colleghi hanno incorporato i loro risultati in modelli globali dei livelli di ossigeno.
L’analisi ha suggerito che l’aumento del rilascio di ossigeno dovuto al cambiamento della lunghezza del giorno potrebbe aver aumentato i livelli di ossigeno a livello globale. È un collegamento tra l’attività di minuscoli organismi e i processi globali.
“Leghiamo insieme leggi della fisica che operano su scale molto diverse, dalla diffusione molecolare alla meccanica planetaria. Dimostriamo che esiste un legame fondamentale tra la durata del giorno e la quantità di ossigeno che può essere rilasciata dai batteri che vivono nel terreno“, ha affermato Chennu.
“È piuttosto eccitante. In questo modo colleghiamo la danza delle molecole nel tappeto microbico alla danza del nostro pianeta e della sua Luna”.
Nel complesso, i due principali eventi di ossigenazione (salti nella concentrazione di ossigeno) nella storia della Terra – il Grande Evento di Ossidazione più di due miliardi di anni fa e il successivo Evento di Ossigenazione Neoproterozoico – potrebbero essere collegati all’aumento della durata del giorno.
Quindi, l’aumento della lunghezza del giorno avrebbe potuto aumentare la produttività netta del bentonico in misura sufficiente da influire sui livelli di ossigeno atmosferico.
“Destreggiarsi con questa vasta gamma di scale temporali e spaziali è stato sbalorditivo e molto divertente“, conclude Klatt.
Riferimento: “Possibile collegamento tra la velocità di rotazione della Terra e l’ossigenazione” 2 agosto 2021, Nature Geoscience.
DOI: 10.1038/s41561-021-00784-3
