Le prove che sostenevano un presunto “soffio di ossigeno” prima del grande evento di ossigenazione della Terra di 2,3 miliardi di anni fa sono firme chimiche che sono state probabilmente introdotte in un momento molto successivo, secondo una ricerca pubblicata su Science Advances.
Il risultato rivede le precedenti scoperte della ricerca secondo cui l’ossigeno atmosferico esisteva prima del cosiddetto grande evento di ossigenazione, noto ai ricercatori come “GOE”, e ha il potenziale per riscrivere ciò che è sappiamo del passato del pianeta.
“Senza il soffio di ossigeno riportato da una serie di studi precedenti, la comunità scientifica ha bisogno di rivalutare in modo critico la sua comprensione della prima metà della storia della Terra“, ha affermato Sarah Slotznick, assistente professore di scienze della terra a Dartmouth e primo autore dello studio .
La microscopia elettronica ha rivelato che il Monte McRae Shale è costituito da frammenti di vetro vulcanico (grigio chiaro, a sinistra), che potrebbero essere una fonte di molibdeno concentrato nell’intervallo “soffio” durante eventi successivi di flusso di fluido che sono stati precedentemente presi per indicare i primi eventi atmosferici di ossigeno. Questi eventi sono registrati nella pirite minerale ferro-zolfo all’interno dello scisto grigio scuro dell’intervallo “soffio”; qui un’immagine scansionata (a destra) mostra sia noduli rotondi precoci con aloni diffusi che linee parallele di minuscoli cristalli che si sono formati durante il successivo flusso di fluido. Credito: Da Science Advances, Slotznick et al.
Lo studio indica che i dati chimici presi originariamente come prova della presenza di ossigeno atmosferico precedenti al GOE potrebbero essere stati introdotti da eventi particolari centinaia di milioni di anni dopo.
Ulteriori analisi condotte nell’ambito dello studio riconfermano che l’atmosfera terrestre presentava livelli di ossigeno estremamente bassi prima di 2,3 miliardi di anni fa.
“Abbiamo utilizzato nuovi strumenti per indagare sulle origini dei segnali di ossigeno in tracce“, ha affermato Jena Johnson, assistente professore di scienze della terra e ambientali presso l’Università del Michigan e coautrice dello studio. “Abbiamo scoperto che una serie di cambiamenti avvenuti dopo che i sedimenti si sono depositati sul fondo del mare sono stati probabilmente responsabili della prova chimica dell’ossigeno“.
L’inizio dell’ossigenazione
Per decenni gli scienziati hanno discusso su quando livelli misurabili di ossigeno sono apparsi per la prima volta nell’atmosfera terrestre. L’idea del Grande Evento di Ossigenazione si è sviluppata nell’ultimo secolo e si pensa sia avvenuto oltre 2 miliardi di anni fa quando i livelli di ossigeno hanno iniziato ad aumentare, aprendo la strada all’ascesa di cellule complesse e poi organismi multicellulari.
Più di recente, tuttavia, la ricerca sui segnali chimici correlati all’ossigeno ha suggerito precedenti apparizioni transitorie di ossigeno, note come “sbuffi“.
Nel 2007, due studi paralleli hanno trovato prove di un tale soffio di ossigeno sulla base di campioni del Mount McRae Shale di 2,5 miliardi di anni, parte di un carotaggio del 2004 molto studiato raccolto nell’Australia occidentale dal Programma di perforazione dell’astrobiologia della NASA .
“Quando i risultati sono usciti un decennio fa, sono stati sorprendenti“, ha detto Joseph Kirschvink, professore di geobiologia al Caltech, membro dell’Earth-Life Science Institute presso il Tokyo Institute of Technology e coautore del nuovo studio. “I risultati sembravano contraddire abbondanti prove di altri indicatori geologici che sostenevano la presenza di ossigeno libero prima del Grande Evento di Ossigenazione“.
Gli studi del 2007 si basavano su prove di ossidazione e riduzione di molibdeno e zolfo, due elementi ampiamente utilizzati per verificare la presenza di ossigeno atmosferico poiché questo non può essere misurato direttamente nella roccia. I risultati hanno sollevato questioni fondamentali sulla prima evoluzione della vita sulla Terra.
L’osservazione dell’ossigeno precoce è stata presa da alcuni gruppi di ricerca per supportare le scoperte precedenti secondo cui i cianobatteri microscopici, i primi ad utilizzare la fotosintesi, pompavano ossigeno nell’antica atmosfera, ma altri processi della Terra mantenevano bassi i livelli di ossigeno.
Gli studi del 2007, comprese le loro implicazioni sull’origine della vita e la sua evoluzione, sono stati ampiamente accettati e sono serviti come base per una serie di altri documenti di ricerca negli ultimi 14 anni.
Il nuovo studio risale al 2009, quando un team guidato da Caltech ha iniziato gli sforzi per condurre ulteriori analisi. Il team ha impiegato più di un decennio per raccogliere e analizzare i dati che hanno portando ora al primo studio pubblicato che confuta direttamente la scoperta di uno sbuffo di ossigeno precoce.
“Rocce così antiche raccontano una storia complicata che va oltre com’era il mondo quando il fango è stato depositato“, ha detto Woodward Fischer, professore di geobiologia al Caltech e coautore dello studio. “Questi campioni contengono anche minerali che si sono formati molto tempo dopo la loro deposizione quando antichi segnali ambientali sono stati mescolati con quelli più giovani, confondendo le interpretazioni delle condizioni sulla Terra antica“.
Una questione di approccio
I documenti di ricerca del 2007 che hanno trovato tracce di ossigeno precedenti alla piena ossigenazione della Terra hanno utilizzato tecniche di analisi di massa con valutazioni geochimiche di campioni in polvere provenienti da tutto il Monte McRae Shale. Invece di condurre un’analisi chimica sulla polvere, la nuova ricerca ha ispezionato i campioni della roccia utilizzando una serie di tecniche ad alta risoluzione.
Per il nuovo studio, il team di ricerca ha registrato le immagini del carotaggio del 2004 su uno scanner ottico piano. Sulla base di tali osservazioni, hanno quindi raccolto campioni sottili per ulteriori analisi. La suite di approcci utilizzati sui campioni fisici, inclusa la spettroscopia di fluorescenza a raggi X basata su sincrotrone, ha fornito al team ulteriori informazioni sulla geologia e sulla chimica dei campioni, nonché sui tempi relativi dei processi identificati.
Secondo il documento di ricerca: “Le nostre osservazioni collettive suggeriscono che i grandi set di dati chimici che puntano verso un ‘sbuffo’ di ossigeno si sono sviluppati durante gli eventi post-deposizionali“.
La nuova analisi mostra che il Monte McRae Shale si è formato da carbonio organico e polvere vulcanica. La ricerca indica che il molibdeno proveniva dai vulcani e successivamente si è concentrato durante quello che è stato precedentemente caratterizzato come l’intervallo del soffio. Durante una serie di cambiamenti chimici e fisici che hanno trasformato questi sedimenti in roccia, la fratturazione ha creato percorsi per diversi fluidi distinti per trasportare segnali di ossidazione centinaia di milioni di anni dopo la formazione delle rocce.
“Le nostre osservazioni di abbondanti frammenti di vetro piroclastico e letti di tufo intercalati, insieme alla recente intuizione che il vetro vulcanico è una delle principali fonti di [molibdeno], offre una nuova spiegazione per gli arricchimenti di [molibdeno] nell’intervallo “soffio”“, recita il documento.
Guardare indietro per indicare una via in avanti
Se il molibdeno non proviene dall’erosione a base di ossigeno delle rocce sulla terraferma e dalla concentrazione nell’oceano, la sua presenza non supporta la scoperta originale dell’ossigeno atmosferico precoce. Utilizzando una metodologia totalmente diversa da quella utilizzata nei primi studi che hanno trovato lo sbuffo di ossigeno, la nuova ricerca mette in discussione anche gli studi che sono seguiti utilizzando lo stesso stile di tecniche di massa.
“I nostri nuovi dati ad alta risoluzione indicano chiaramente che il contesto sedimentario dei segnali chimici deve essere considerato attentamente in tutti i documenti antichi“, ha affermato Johnson.
Oltre a fornire una spiegazione alternativa per le firme di ossigeno che sono state trovate nel Mount McRae Shale, il team ha confermato che il livello di ossigeno atmosferico al momento prima del grande evento di ossigenazione era molto basso, definendolo “trascurabile” approssimativamente 150 milioni di anni prima del brusco cambiamento.
I risultati mettono in discussione l’esistenza precoce dei cianobatteri, sostenendo invece altre ipotesi secondo cui la fotosintesi generatrice di ossigeno si è evoluta solo poco prima del Grande Evento di Ossigenazione.
“Ci aspettiamo che la nostra ricerca susciterà interesse sia da parte di coloro che studiano la Terra sia da coloro che guardano agli altri pianeti“, ha affermato Slotznick. “Speriamo che stimoli ulteriori conversazioni e rifletta su come analizziamo le firme chimiche nelle rocce che hanno miliardi di anni“.
Riferimento: “Reexamination of 2.5-Ga “whiff” of oxygen interval points to anoxic ocean before GOE” 5 gennaio 2022, Science Advances .
DOI: 10.1126/sciadv.abj7190