L’ossigeno, quando apparve, uccise quasi tutta la vita sulla Terra

Sebbene siano passati più di 4 miliardi e mezzo di anni da quando il pianeta Terra si è formato, è stato solo alcune centinaia di milioni di anni dopo che la vita è apparsa sul nostro mondo.

Da allora, ha prosperato e si è evoluta, trovando il modo di occupare praticamente ogni nicchia ambientale del pianeta, ma circa due miliardi di anni dopo che la Terra ha preso forma, la vita ha rischiato di scomparire. L’atmosfera era stata lentamente alterata dalla graduale aggiunta di ossigeno, che si era rivelata fatale per il tipo più comune di organismo presente sulla Terra in quel momento.

Per centinaia di milioni di anni, la Terra è entrata in una terribile era glaciale che ha congelato l’intera superficie: quel periodo è conosciuto oggi come scenario Terra Palla di neve.

È stato un disastro che ha quasi posto fine alla vita sulla Terra. Ecco la storia della nostra pre-morte e della nostra sopravvivenza finale.

Uno degli esperimenti più semplici che puoi fare a lezione di biologia è mettere un gruppo di cellule in una soluzione nutritiva, come il lievito nella melassa. Gli organismi inizialmente avranno molto successo, poiché il cibo è abbondante, non c’è competizione per le risorse e possono sopravvivere e riprodursi facilmente. Se conti gli organismi viventi all’interno, quel numero inizierà a crescere in modo esponenziale.

Ma, in breve tempo, questo cambierà.

Il lievito consuma il cibo attraverso un processo di fermentazione. Le cellule si nutrono di zucchero convertendolo in alcol, ATP (che viene utilizzato per produrre energia) e anidride carbonica come prodotto di scarto.

Ma se hai una soluzione acquosa liquida e aggiungi anidride carbonica, forma acido carbonico. Ad un certo punto la soluzione diventa troppo acida perché il lievito sopravviva e la popolazione crolla.

Questo potrebbe essere un semplice scenario biologico, ma i suoi risultati sono quasi universali. In presenza di praticamente nessun rivale o predatore, e con risorse praticamente illimitate, una popolazione vivente crescerà a un ritmo esponenziale. Consumerà le risorse disponibili, produrrà qualsiasi prodotto metabolico produca e quindi si riprodurrà in numeri superiori al livello di sostituzione.

La prossima generazione consumerà di più, produrrà più dei suoi metaboliti e si riprodurrà in numero ancora maggiore. Finché le risorse saranno disponibili gratuitamente, questo processo continuerà. Fino a quando, cioè, i processi metabolici che ha prodotto si accumuleranno a un livello critico per cui avveleneranno l’ambiente.

Se questo suona come quello che ha fatto il lievito – o quello che gli umani moderni stanno facendo con la CO2 – hai messo insieme i pezzi correttamente. Gli organismi, se non controllati, avveleneranno il loro habitat con i prodotti di scarto del loro stesso successo.

Ma non siamo i primi ad incontrare questo problema, né lo erano le cellule di lievito molto più primitive. Nelle primissime fasi dell’esistenza del nostro pianeta sorse una semplice forma di vita procariotica: gli organismi unicellulari.

Sebbene non si conoscano le proprietà delle ipotizzate protocellule che teoricamente hanno dato origine ai primi organismi unicellulari, esistono chiare prove di batteri unicellulari quando la Terra aveva forse 500 milioni di anni: circa 4 miliardi di anni fa.

L’evoluzione è poi andata in molte direzioni diverse, come previsto, per riempire ogni nicchia ecologica disponibile. Sorsero gli Archaea, in grado di sopravvivere nelle profondità marine intorno alle bocche idrotermali.

I plasmidi, che trasportano geni responsabili di nuove capacità, sono sorti come molecole di DNA indipendenti, non attaccate al cromosoma batterico stesso. E, centinaia di milioni di anni dopo, nacquero i primi organismi completamente fotosintetici.

Avanzando rapidamente a 3,4 miliardi di anni fa, iniziano a comparire le prime prove della fotosintesi negli organismi viventi. Esistono diversi modi in cui può avvenire la fotosintesi, ma tutti coinvolgono la luce solare di una particolare lunghezza d’onda che colpisce una molecola in grado di assorbirla, eccitando un elettrone che può quindi utilizzare la sua energia nei processi vitali.

Molti organismi, come i batteri dello zolfo verde e viola e non solforati, utilizzano una varietà di molecole per fornire gli elettroni nelle loro reazioni, come idrogeno, zolfo e numerosi acidi. Ma si sono evoluti anche organismi che utilizzano l’acqua come donatore di elettroni: i cianobatteri, noti come alghe blu-verdi. A differenza degli altri organismi (generalmente, ma non universalmente, ritenuti precedenti), i cianobatteri producono ossigeno molecolare come prodotto di scarto.

I cianobatteri, come nella foto qui, sono stati i primi organismi fotosintetizzanti produttori di ossigeno sul pianeta – DOC. RNDR. JOSEF REISCHIG, CSC. / CCA-SA-3.0

I cianobatteri sopravvivono ancora oggi e sono gli unici procarioti fotosintetici che producono ossigeno. Sembrano essere più evoluti degli altri procarioti fotosintetici che non producono ossigeno. Queste alghe blu-verdi possiedono membrane interne (a differenza delle altre) e si sa che sono sorte non più tardi di 2,5 miliardi di anni fa.

Le prove che abbiamo sono semplici: proprio in quel periodo, l’atmosfera terrestre iniziò a mostrare prove della presenza di ossigeno libero al suo interno.

Lentamente ma inesorabilmente, il contenuto di ossigeno iniziò a crescere e un organismo con una risorsa apparentemente illimitata – la luce solare – e iniziò ad avvelenare il suo ambiente sfociando nella grande estinzione di massa nota come catastrofe dell’ossigeno.

L’ossigeno, vedete, non è solo corrosivo e infiammabile; è anche la causa del più grande disastro climatico della storia: la glaciazione uroniana.

Quando la vita rischiò l’estinzione: la Terra a palla di neve

I cianobatteri, riscontrando enormi successi, si sono evoluti in stuoie microbiche in breve tempo e quella presenza precoce di ossigeno atmosferico ha sistematicamente rimosso il primo metano dall’atmosfera terrestre.

La conversione del metano in anidride carbonica e acqua ha notevolmente ridotto l’effetto serra della prima atmosfera terrestre. Allo stesso tempo, l’ossigeno prodotto dai cianobatteri ha ucciso la maggior parte delle altre forme di vita che non utilizzavano ossigeno, poiché l’ossigeno era tossico per loro.

Considerando che la produzione di energia del Sole era molto più bassa nelle prime fasi, questa grande quantità di metano era l’unica cosa che manteneva la Terra come un pianeta relativamente temperato. Con l’eliminazione di quel potente gas serra, il pianeta non è riuscito a trattenere il suo calore. La più grande era glaciale della storia, che ha portato alle condizioni della Terra a palla di neve per circa 300 milioni di anni, era ormai alle porte.

Le prove sono schiaccianti per le condizioni incredibilmente fredde che coprono l’intero pianeta in questo momento. I depositi glaciali in tutto il Nord America settentrionale (ma trovati anche in Australia) mostrano più depositi di sedimenti trovati tra strati di depositi glaciali tra 2,5 e 2,0 miliardi di anni fa. Le prove per eventi di glaciazione del passato, in cui sono stati realizzati depositi glaciali a latitudini allora tropicali, sono molto forti.

Sfortunatamente, formare una Terra Palla di neve è molto semplice, poiché sembra essere un processo incontrollato. L’estendersi delle calotte glaciali ha provocato un aumento della riflettività totale del pianeta, il che significa che la Terra assorbiva meno energia solare. La conseguenza è stata un ulteriore raffreddamento e la formazione di più ghiaccio, che alla fine ha coperto l’intera superficie del pianeta – continenti e oceani inclusi – in una crosta alta diversi chilometri.

Per quanto questo evento sia stato catastrofico per la vita sulla Terra, però, i cianobatteri hanno continuato a prosperare, mentre popolazioni più piccole di altri organismi, affrontando enormi pressioni selettive e un ambiente mutevole, si sono evolute in una direzione diversa. Creature più complesse, che accumulavano un gran numero di geni e nuove abilità, avevano maggiori possibilità di sopravvivere, poiché più resistenti al cambiamento.

Nel frattempo, i vulcani hanno continuato a eruttare sotto il ghiaccio. Questi accumuli di anidride carbonica hanno ripristinato l’effetto serra nell’atmosfera, mentre la produzione simultanea di cenere probabilmente ha diminuito la riflettività della Terra, permettendo al pianeta di uscire da questa era glaciale.

Sebbene sia durata circa 300 milioni di anni, la fine della glaciazione uroniana coincide con le prime prove che abbiamo della vita eucariotica.

Ora esistevano cellule che avevano organelli racchiusi e separati che potevano svolgere funzioni indipendenti. Gli eucarioti avrebbero poi dato origine a tutti i protisti, piante, funghi e animali esistenti oggi; è possibile che il tipo di vita che è sfociata nell’uomo non sarebbe mai sorta se l’ossigeno non avesse distrutto la nostra atmosfera ricca di metano e portato a questo antico scenario della Terra Palla di neve.

Questo periodo di tempo nella storia della Terra potrebbe essere stata la più grande estinzione di massa che il nostro pianeta abbia mai dovuto affrontare. Eppure, anche in questa fase primitiva, la vita è rimasta onnipresente e resistente, e la distruzione delle specie esistenti e dominanti ha permesso ad altri nuovi organismi di evolversi e sorgere per riempire le nicchie ecologiche vuote.

Il Grande Evento di Ossigenazione è stato un evento trasformativo nella storia della Terra. Senza di essa, la vita potrebbe non essere mai diventata complessa, differenziata e capace di dare origine a organismi intelligenti come noi.