Un veleno chiamato Ossigeno - Il grande evento ossidativo (GOE)
- Damiano Furlan
- 24 gen
- Tempo di lettura: 10 min
La storia della Terra è un incredibile epopea che dura da oltre 4 miliardi di anni.
In tutto quest'arco di tempo si sono susseguiti una marea di eventi geologici e biologici di ogni genere: cataclismi, mutamenti di equilibri che parevano essere inespugnabili, bruschi cambi di ecosistemi/fauna dominante, estinzioni di massa, impatti meteorici e via dicendo... insomma, ce n'è per tutti i gusti.
I cataclismi più iconici, tuttavia, non sono soltanto quelli che sono avvenuti di recente, sempre geologicamente parlando, come può essere stata l'estinzione che ha spazzato via per sempre i dinosauri non aviani intorno a 66 milioni di anni fa, bensì anche eventi ben più distanti e arcaici, datati ancora agli stadi più remoti dell'esistenza della vita stessa.
Fra i più famosi e meno noti vi è sicuramente la cosiddetta "catastrofe dell'ossigeno", noto anche come "grande evento ossidativo", evento che, sebbene sia ampiamente trascurato, ha cambiato per sempre le sorti dell'evoluzione, nonché delle carte che vi erano in gioco.
Facciamo un salto indietro di centinaia di milioni di anni fa, al fine di comprendere, per quanto possibile, cosa è realmente successo.
Tempo, vita e dinamiche proterozoiche
Per poter meglio comprendere l'evento in sé, è indispensabile comprendere quando esso è avvenuto, nonché quali furono le condizioni ambientali che insistevano nella Terra del tempo.
Ci troviamo dunque nell'eone Proterozoico, terzo eone della storia della Terra, successivo all'Archeano e precedente al Fanerozoico (in cui ci troviamo oggigiorno), dunque intorno a 2,5 miliardi di anni fa, in particolar modo nel Paleoproterozoico, ovvero nella sua prima divisione, a cavallo fra il Sideriano (2,5 - 2,3 miliardi di anni fa) e il Rhyaciano (2,3 - 2 miliardi di anni fa circa).
In questa fase arcaica il pianeta era profondamente differente da come lo vediamo adesso: le terre emerse, ancora estremamente aride, spoglie e prive di qualsivoglia forma di vita, anche unicellulare, a causa della potente azione del Sole, ricoprivano soltanto una piccola parte della superficie terrestre, circa il 2-3% del totale, occupata in massima parte da mari e oceani.
L'atmosfera terrestre durante il Proterozoico, ma anche durante l'Archeano (insomma, durante tutte le prime fasi di formazione della Terra), era sostanzialmente differente da quella odierna, specie per un elemento a noi oggi indispensabile: l'ossigeno.
Al tempo ciò che si poteva respirare erano sostanze come metano, idrogeno, vapore acqueo e diverse altre, capaci di costituire un ambiente estremamente tossico per la maggior parte della vita odierna.
Gli oceani, da canto loro, erano anch'essi piuttosto diversi da quelli odierni: una delle differenze più marcate rispetto a quelli a cui siamo abituati risiede nel colore stesso.
Le concentrazioni di ferro nell'acqua erano piuttosto elevate, cosa che gli fecero assumere un colore verde, fenomeno noto come "green rust", questo a causa dell'impossibilità di venire ossidata dall'ossigeno vista la sua pressoché totale assenza, pertanto, entrando in contatto con altre sostanze chimiche, come cloro o zolfo, avrebbe portato una colorazione così peculiare.
Per quanto concerne invece la biosfera, non dovete immaginarvi chissà quale proliferare di organismi marini dalle dimensioni magari mastodontiche.
La vita al tempo era ancora costituita da organismi unicellulari acquatici, più o meno complessi, al massimo dalle prime associazioni fra microrganismi, caratterizzati da un metabolismo slegato dalla presenza di ossigeno, esseno dunque anaerobi obbligati.
In questa Terra desolata, fra gli elementi più curiosi e affascinanti potevano essere sicuramente le stromatoliti (esistenti, seppur in numero ben più limitato rispetto ad un tempo, persino tutt'oggi), ovvero delle strutture sedimentarie realizzate da organismi unicellulari capaci di svolgere la fotosintesi, come ad esempio i cianobatteri.
Nonostante queste condizioni ambientali così stagnanti, all'apparenza inospitali ad un profondo cambio di registro ecosistemico, qualcosa stava per cambiare (naturalmente con tutta la calma che il tempo geologico ci ha abituati).
Fig. 1.1: (Sinistra): Fotografia raffigurante una sezione di stromatoliti colonnari datati al Proterozoico - Crediti: Didier Descouens (CC BY-SA 4.0);
(Destra): Esemplari di stromatoliti contemporanei situati in Australia Occidentale, in particolar modo a Shark Bay - Crediti: Paul Harrison (CC BY-SA 3.0).
Fig. 1.2: Resti fossili di stromatoliti datate al Paleoproterozoico rinvenute in Namibia, in Africa - Crediti: NimbusWeb.
Fig. 1.3: Esemplari di stromatoliti moderni, con una forma più schiacciata, situati in Australia, nel Lago Thetis - Crediti: Ruth Ellison (CC BY 2.0).
Un cambio di registro
Nonostante la fauna dominante fosse costituita appunto da organismi anaerobi, ad un certo punto dell'evoluzione fecero la loro comparsa degli organismi ben diversi, capaci di nutrirsi in maniera differente e più efficiente rispetto agli altri, ovvero i cianobatteri.
Questi organismi estremamente antichi, esistenti tutt'oggi, riuscirono a sviluppare forme di fotosintesi, lo stesso processo che utilizzano oggigiorno i vegetali per nutrirsi, dunque impiegando come elementi l'anidride carbonica, l'acqua e la luce solare, producendo come prodotto di scarto proprio l'ossigeno.
L'espansione di organismi portatori di questo metabolismo divenne piuttosto importante, le cui conseguenze ebbero effetti su scala globale: i mari e gli oceani, che al tempo presentavano un colore verdastro, nelle cui acque vi erano disciolte grandi quantità di ferro, virò verso il rosso, a causa dell'ossidazione del ferro stesso, questa volta grazie all'ossigeno, facendo dunque assumere alla Terra l'aspetto di un pianeta quasi sanguinario.
Affinché tutto il ferro venisse ossidato ci volle parecchio tempo, tuttavia, una volta terminato, i cianobatteri continuarono a svolgere i loro processi nutritivi, rilasciando sempre più ossigeno, con la differenza che, da questo momento in poi, poté liberarsi e accumularsi in atmosfera.
L'accumulo in atmosfera dell'ossigeno fu un evento anch'esso piuttosto lungo, tuttavia i risultati furono tutto meno che marginali: a venire modificate furono le concentrazioni dei gas in atmosfera, processo che vide l'aumento considerevole proprio dell'ossigeno, a discapito del metano, anidride carbonica e diversi altri.
L'ossigeno ora presente in atmosfera permise anche la formazione di un altro elemento estremamente importante per la vita, ovvero lo strato di ozono, originatosi tramite l'incontro fra l'ossigeno e i raggi ultravioletti del Sole, formando dunque O3.
La presenza di questo strato sarà di estrema importanza per l'evoluzione successiva della vita, in quanto consentirà di schermare gli organismi viventi dai dannosi raggi solari che, fino a questo momento, avevano reso inabitabili le terre emerse.
Fra gli elementi che possono aver reso così lungo e complesso il processo di aumento dell'ossigeno, talvolta stimato in 200-300 milioni di anni, sarebbe da rintracciarsi nelle dinamiche stesse del processo fotosintetico: una volta prodotto l'ossigeno durante il giorno, quest'ultimo veniva in parte consumato nella notte, tramite un processo equivalente alla respirazione cellulare delle piante odierne.
Fig. 1.4: Esemplari moderni di cianobatteri, in particolar modo appartenenti al genere Cylindrospermum - Crediti: CSIRO (CC BY 3.0).
Fig. 1.5: L'elevata presenza di ciano batteri presso il Lago Köyliö fa assumere l'acqua di un colore verde, un po' lo stesso aspetto che avrebbero potuto presentare i mari e gli oceani ancora durante l'Archeano-Proterozoico - Crediti: Kallerna (CC BY-SA 3.0).
Fig. 1.6: Grafico raffigurante la variazione dell'accumulo di ossigeno nell'atmosfera terrestre.
Le due linee raffigurano il limite superiore della concentrazione dell'ossigeno (rosso) e quella inferiore (verde).
Stadio 1: 3,85 - 2,45 miliardi di anni fa
Stadio 2: 2,45 - 1,85 miliardi di anni fa
Stadio 3:1,85 - 0,85 miliardi di anni fa
Stadio 4: 850 - 540 milioni di anni fa
Stadio 5: 540 - 0 milioni di anni fa
Crediti: Heinrich D. Holland (CC BY-SA 3.0) Modified Background.
Antiche testimonianze
Probabilmente vi starete chiedendo: ma come è possibile avere testimonianze di tutti questi eventi e, ovviamente, delle relative conseguenze ambientali?
La ricerca geologica ha portato a delle risposte, sebbene alcune siano ancora da approfondire.
Fra le testimonianze più importanti troviamo sicuramente le cosiddette "formazioni di ferro a bande", noti in inglese come "Banded Iron Formation" (sottoforma di acronimo BIF), ovvero delle rocce di natura sedimentaria che presentano un aspetto striato, con linee parallele che percorrono la loro lunghezza (proprio come tutte le rocce sedimentarie), con una differenza sostanziale: queste presentano colorazioni alternate fra uno strato e l'altro, tuttavia con una netta prevalenza del colore rosso.
La presenza di questo colore indica la presenza di ferro, ma come si sono formate?
Come abbiamo detto in precedenza, gli oceani del tempo erano piuttosto ricchi di ferro, soltanto che, una volta che l'ossigeno libero iniziava ad accumularsi, presero piede estesi fenomeni di ossidazione proprio di quel ferro, andando a legarsi con l'ossigeno, diventando in questo modo insolubile, precipitando così in profondità nei fondali tanto marini quanto oceanici.
Le variazioni cromatiche di queste rocce evidenziano l'andamento più o meno marcato di questo evento, in base alla scarsità o presenza del colore rosso, dovuto magari ad una maggiore o minore proliferazione di cianobatteri.
Il processo che vide l'incremento sostanziale di ossigeno libero presente in atmosfera poté concretizzarsi soltanto una volta che il ferro da ossidare presente negli oceani terminò.
Fig. 1.7: Roccia risalente a 2,1 miliardi di anni fa che mostra in maniera chiara la successione sedimentaria di ferro rinvenuto in Nord America - Crediti: André Karwath - Aka (CC BY-SA 2.5).
Fig. 1.8: (Sinistra): Bande sedimentarie di ferro situate in Australia - Crediti: Graeme Churchard (CC BY 2.0).
(Destra): Esempio di BIF ( ) rinvenuta negli Stati Uniti, in Michigan, datata al Paleoproterozoico - Crediti: James St. John (CC BY 2.0).
La grande catastrofe
Nonostante le grandi estinzioni di massa oggigiorno riconosciute dalla scienza siano essenzialmente 5, le cosiddette Big Five, la prima delle quali avvenuta a cavallo fra l'Ordoviciano e il Siluriano intorno a 450 milioni di anni fa, è estremamente probabile che prima di essa ne siano avvenute altre, come quella che ha cancellato la fauna di Ediacara, ovvero i primi veri e propri esperimenti di pluricellularità, argomento già trattato qui su Roots of Existence, tuttavia la prima in assoluto potrebbe essere proprio quella dovuta alla catastrofe dell'ossigeno.
Gli organismi unicellulari del tempo, prosperando in ambienti in cui l'ossigeno era tutt'altro che un elemento preponderante, presente nell'ordine degli "0," con estrema probabilità non presentavano sistemi e misure per disintossicarsi dal sempre crescente ossigeno atmosferico, andando in contro ad una autentica estinzione di massa, lasciando praticamente campo libero agli organismi futuri che prosperavano invece con un'atmosfera ben ossigenata.
Un aspetto molto interessante e, per certi versi quasi ironico, è che gli organismi produttori di ossigeno, come i cianobatteri, non soltanto andarono a danneggiare organismi unicellulari che prosperavano insieme a loro, ma anche loro stessi, venendo dunque avvelenati dalle loro stesse sostanze di scarto, visto che, come detto poc'anzi, non presentavano sistemi di protezione adeguati.
Fig. 1.9: Grafico raffigurante l'intensità delle 5 grandi estinzioni di massa, come è ben visibile non è contemplata quella che sarebbe stata all'origine della scomparsa di numerosissimi organismi unicellulari ancora intorno a 2 miliardi di anni fa - Crediti: Dragon flight CC BY-SA 3.0).
Cambia la vita... ma anche il clima
L'incremento dei livelli di ossigeno atmosferici, oltre ad aver sconquassato le forme di vita del tempo, avrebbe anche influito, seppur in maniera indiretta, sulla concentrazione di altre sostanze presenti in maniera preponderante in atmosfera, come ad esempio il metano, ma anche l'anidride carbonica, andando a limitarne la concentrazione e, con essa, la loro azione di gas a effetto serra.
Questa drastica diminuzione di gas serra contribuì senz'altro a rendere il pianeta Terra più simile a quello che possiamo sperimentare oggi, tuttavia questo processo potrebbe essere andato un po' oltre a quello che ci si potrebbe aspettare, dal momento che, di lì a poco, iniziarono a presentarsi le prime ere glaciali, come la glaciazione uroniana, avvenuta proprio intorno a 2,4 - 2,1 miliardi di anni fa circa.
Il drastico abbassamento delle temperature terrestri avrebbe sicuramente influito negativamente sulla situazione già gravosa della vita del tempo, andando a inasprire le condizioni già precarie della vita stessa.
Questo genere di eventi potrebbe tuttavia essere stato incrementato anche da altri eventi geologici e astronomici particolari ancora da scoprire, tuttavia è fuori discussione che la riduzione di gas serra abbia sicuramente giocato un ruolo fondamentale.
Nonostante si siano fatti numerosi passi in avanti verso la comprensione e approfondimento di questo fenomeno antichissimo, è anche vero che, essendo così antico, possiede numerosi aspetti piuttosto misteriosi, difficili o addirittura impossibili da comprendere fino in fondo.
Alcune fra le domande più importanti che tutt'oggi attanagliano i ricercatori sono ad esempio: come sono riusciti i cianobatteri a sviluppare la fotosintesi? Se organismi come i cianobatteri, capaci di svolgere fotosintesi per nutrirsi erano già presenti prima del grande evento ossidativo (l'origine di questi organismi potrebbe risalire ancora all'Archeano), come mai ci volle così tanto tempo affinché l'incremento di ossigeno diventasse significativo? Vi erano altri colli di bottiglia ancora da scoprire?
Fig. 1.10: Paesaggio odierno del Polo Sud: la glaciazione dell'Uroniano potrebbe averne presentato uno analogo? - Crediti: Rainer Zenz.
Fig. 1.11: Esemplari di stromatoliti in acque basse dalla forma arrotondata - Crediti: C Eeckhout (CC BY 3.0).
L'inizio di una evoluzione gloriosa
Studiare e comprendere fino in fondo il grande evento ossidativo è un tassello indispensabile per poter comprendere le dinamiche con cui, successivamente, la vita si è potuta evolvere e sviluppare.
Concluso questo periodo di grande tribolazione per la Terra e per la vita, gli ambienti presentavano delle condizioni ambientali sostanzialmente differenti da quelle precedenti, andando a costituire, con tutta la calma del caso, un terreno fertile per le successive forme di vita, dalle più semplici fino alle più complesse.
Le concentrazioni di ossigeno terrestre sono state piuttosto variabili nel corso delle ere geologiche, non sono sempre state uguali a quelle odierne, aggirandosi intorno al 21% circa, anzi, in alcuni periodi, come nel Carbonifero, le concentrazioni furono ben più elevate, cosa che comportò la comparsa di una fauna relativa, adatta a prosperare in quelle condizioni.
Questo evento particolare, estremamente sconosciuto al grande pubblico è testimone del fatto che ad aver plasmato la vita per come la conosciamo oggigiorno non sono stati tanto organismi colossali e mastodontici, bensì organismi unicellulari, all'apparenza quasi insignificanti per noi, tuttavia di fondamentale importanza per la storia della vita nella sua interezza, tanto che possiamo dire, senza tema di smentita, che il pianeta Terra, per come lo conosciamo oggigiorno, è stato plasmato proprio dai microrganismi.
La vita, ancora una volta, si dimostrò più inarrestabile che mai.
"Life finds a way"
Fig. 1.12: Rappresentazione artistica del pianeta Terra durante l'Archeano, eone precedente al Proterozoico: è palese notare quanto il nostro pianeta sia cambiato nel corso del tempo - Crediti: Tim Bertelink (CC BY-SA 4.0).
Crediti immagini di copertina:
(Sinistra): Crediti: Paul Harrison (CC BY-SA 3.0).
(Destra): Ruth Ellison (CC BY 2.0).
(Sfondo): CSIRO (CC BY 3.0).
Fonti:
The Continuing Puzzle of the Great Oxidation Event - Sessions, Alex L. et al. - Current Biology, Volume 19, Issue 14, R567 - R574
Heinrich D Holland; The oxygenation of the atmosphere and oceans. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 29 June 2006; 361 (1470): 903–915.
Nature Geoscience - First breaths of a hospitable Earth. Nat. Geosci. 18, 371 (2025).
PBS Eons - That Time Oxygen Almost Killed Everything
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