Scienze

La Luna, i cianobatteri e la vita sulla Terra

La danza cosmica che regola la distanza tra la Terra e la Luna, i cianobatteri e altri microrganismi sono legati tra loro in una relazione che può spiegare l'eplosione della vita sul nostro Pianeta.

Sin dalla sua formazione, circa 4,5 miliardi di anni fa, la Terra vide gradualmente rallentare la sua rotazione e, conseguentemente, i suoi giorni si sono progressivamente allungati. Sebbene il rallentamento del Pianeta non sia evidente alle scale temporali umane, è sufficiente per operare cambiamenti significativi nel corso di eoni, ossia in milioni di anni. Uno o forse due di questi cambiamenti, suggerisce una nuova ricerca pubblicata su Nature Geoscience, sono tra i più significativi per l'esistenza dell'uomo: l'allungamento dei giorni ha per esempio avuto un'importanza senza confronti nell'ossigenare l'atmosfera terrestre. Nello specifico, le alghe blu-verdi (i cianobatteri), emerse e proliferate circa 2,4 miliardi di anni fa, sarebbero state in grado di produrre più ossigeno - come sottoprodotto metabolico - proprio perché i giorni della Terra andavano via via allungandosi.

Spiega il microbiologo Gregory Dick (University of Michigan, USA), tra gli autori del lavoro: «Una domanda che ci si è sempre posti è come abbia fatto l'atmosfera terrestre a concentrare così tanto ossigeno come ce n'è oggi e quali fattori intervennero a dare il via a tale ossigenazione. La nostra ricerca suggerisce che la velocità con cui ruota la Terra - in altre parole, la lunghezza del giorno - potrebbe aver avuto un effetto importante sui tempi dell'ossigenazione dell'atmosfera terrestre».

Meccanica celeste e batteri. Ci sono due elementi principali che caratterizzano questa storia e che, a prima vista, sembrano non avere molto a che fare l'uno con l'altro. Il primo è che la rotazione terrestre, fin dalla formazione della Luna, rallenta: questo perché il nostro satellite si allontana da noi, ed è questo a provocare il rallentamento. Sulla base dei reperti fossili sappiamo con certezza che 1,4 miliardi di anni fa la giornata durava 18 ore, mentre 70 milioni di anni fa erano più corti di mezzora rispetto ad oggi. Attualmente le giornate si allungano al ritmo di 1,8 millisecondi al secolo.

Il secondo elemento è la Catastrofe dell'Ossigeno, evento chiamato così perché causò una grande estinzione di massa delle prime forme di vita anaerobica della Terra a causa dell'accumulo di ossigeno in atmosfera. Si verifico circa 2,5 miliardi di anni fa, quando i cianobatteri emersero in quantità così grandi che l'atmosfera terrestre registrò un forte e significativo aumento di ossigeno. Fu una svolta epocale nella storia delle vita terrestre: si pensa che senza questa crescita immane di ossigeno, la vita, così come la conosciamo, non sarebbe potuta nascere.

Su questo evento per noi così cruciale ci sono ancora molte domande aperte: una per tutte è "perché è successo e perché proprio in quel momento della storia della Terra". Alcune risposte vengono proprio dallo studio dei cianobatteri.

I tiratardi. Tutto parte dalla Middle Island, nel lago Huron (Michigan, USA), dove a 150 metri di profondità, sul fondo di una dolina (sinkhole), sono stati trovati tappeti di microrganismi che si pensa siano un analogo dei cianobatteri responsabili della Catastrofe dell'Ossigeno. Sono cianobatteri che producono ossigeno tramite fotosintesi e particolari batteri che metabolizzano lo zolfo (SOB, da sulfur-oxidizing bacteria). Le due popolazioni sono in competizione tra loro: di notte i SOB salgono in cima al tappeto microbico e si cibano di zolfo, ma quando fa giorno e il Sole è abbastanza alto nel cielo, si ritirano lasciando spazio ai cianobatteri.

«È a questo punto che i cianobatteri possono iniziare a fotosintetizzare e a produrre ossigeno», spiega la geomicrobiologa Judith Klatt (Max Planck Institute for Marine Microbiology, Germania): «tuttavia ci vogliono alcune ore prima che si mettano per davvero in moto. I cianobatteri si alzano tardi rispetto ai mattinieri...». Ciò significa che la finestra del giorno in cui i cianobatteri possono pompare ossigeno è limitata - ed è proprio questo che ha attirato l'attenzione dell'oceanografo Brian Arbic (University of Michigan, USA): è possibile che il cambiamento della lunghezza del giorno nel corso della storia della Terra abbia avuto un impatto sulla fotosintesi. E la risposta, suffragata dallo studio, è che sì, la durata del giorno e delle ore di luce, e la competizione tra i microrganismi, possono avere contribuito a ritardare la produzione di ossigeno sulla Terra primitiva.

12+12 non è come dire 24. Per dimostrare questa ipotesi il gruppo di scienziati ha eseguito esperimenti e misurazioni sui microrganismi, sia nel loro ambiente naturale sia in laboratorio. Hanno anche eseguito studi di modellazione dettagliati basati sui loro risultati per collegare la luce solare alla produzione di ossigeno microbico, e quindi la produzione di ossigeno microbico alla storia della Terra. «Si potrebbe pensare che l'attività di due giorni di 12 ore dovrebbe essere simile a quella di un giorno di 24 ore», spiega Klatt, «ma il rilascio di ossigeno dalle stuoie batteriche in laboratorio ci dice che non è così.» Se i cianobatteri richiedono, ad esempio, due ore per mettersi in moto, in una giornata di 12 ore la loro attività si sviluppa per 10 ore, mentre per una giornata di 24 ore l'attività si sviluppa per 22 ore, ossia per 2 ore in più rispetto alla somma di ore di due giorni più brevi. I modelli utilizzati per elaborare i possibili scenari hanno poi in effetti dimostrato che l'allungamento dei giorni è stato un fenomeno strettamente collegato all'aumento dell'ossigeno in atmosfera. E ciò non è valso solo per la Catastrofe dell'Ossigeno di 2,5 miliardi di anni fa, ma anche per l'evento di ossigenazione atmosferica avvenuto tra 550 a 800 milioni di anni fa, alla fine del Proterozoico.

«Questo lavoro lega 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 microrganismi», conclude Arjun Chennu, uno degli autori dello studio: «colleghiamo la danza delle molecole nel tappeto microbico alla danza del nostro pianeta e della sua Luna!»

23 agosto 2021 Luigi Bignami
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