Per i primi 2 miliardi di anni della storia della Terra, c'era a malapena ossigeno nell'aria. Mentre alcuni microbi stavano fotosintetizzando nell'ultima parte di questo periodo, l'ossigeno non si era ancora accumulato a livelli tali da avere un impatto sulla biosfera globale.
Ma da qualche parte circa 2,3 miliardi di anni fa, questo equilibrio stabile e a basso contenuto di ossigeno si è spostato e l'ossigeno ha iniziato ad accumularsi nell'atmosfera, raggiungendo infine i livelli di sostentamento della vita che conosciamo oggi. Questa infusione rapida è nota come Great Oxygenation Event, o GOE. Ciò che ha innescato l'evento è uno dei grandi misteri della scienza.
Una nuova ipotesi, proposta dagli scienziati del MIT, suggerisce che l'ossigeno abbia finalmente iniziato ad accumularsi nell'atmosfera grazie alle interazioni tra alcuni microbi marini e i minerali nei sedimenti oceanici. Queste interazioni hanno contribuito a prevenire il consumo di ossigeno, innescando un processo di auto-amplificazione in cui sempre più ossigeno è stato reso disponibile accumulandosi nell'atmosfera.
Gli scienziati hanno esposto le loro ipotesi utilizzando analisi matematiche ed evolutive, dimostrando che c'erano effettivamente microbi, che esistevano prima del GOE, che si sono evoluti fino ad avere la capacità di interagire con i sedimenti nel modo proposto dai ricercatori. Il loro studio, apparso su Nature Communications, è il primo a collegare la co-evoluzione di microbi e minerali all'ossigenazione della Terra.
"Probabilmente il cambiamento biogeochimico più importante nella storia del pianeta è stata l'ossigenazione dell'atmosfera", ha affermato l'autore dello studio Daniel Rothman, professore di geofisica presso il Dipartimento di Scienze della Terra, dell'Atmosfera e planetarie (EAPS) del MIT. "Le interazioni di microbi, minerali e ambiente geochimico hanno agito di concerto per aumentare l'ossigeno nell'atmosfera". I coautori dello studio includono l'autore principale Haitao Shang, un ex studente laureato del MIT, e Gregory Fournier, professore associato di geobiologia in EAPS.
I livelli di ossigeno di oggi nell'atmosfera sono un equilibrio stabile tra i processi che producono ossigeno e quelli che lo consumano. Prima del GOE, l'atmosfera manteneva un diverso tipo di equilibrio, con produttori e consumatori di ossigeno in equilibrio. Cosa avrebbe potuto spingere il pianeta da uno stato stabile e carente di ossigeno a un altro stato stabile e ricco di ossigeno?
"Se si guarda alla storia della Terra, sembra che ci siano stati due salti, in cui si è passati da uno stato stazionario di basso ossigeno a uno stato stazionario di ossigeno molto più alto, una volta nel Paleoproterozoico, una volta nel Neoproterozoico", ha osservato Fournier. "Questi salti non potevano essere dovuti a un graduale aumento dell'ossigeno in eccesso. Doveva esserci stato un ciclo di feedback che ha causato questo cambiamento di passo nella stabilità".
Lui e i suoi colleghi si sono chiesti se un ciclo di feedback così positivo potesse provenire da un processo nell'oceano che ha reso un po' di carbonio organico non disponibile per i suoi consumatori. Il carbonio organico viene consumato principalmente attraverso l'ossidazione, di solito accompagnata dal consumo di ossigeno, un processo attraverso il quale i microbi nell'oceano usano l'ossigeno per abbattere la materia organica, come i detriti che si sono depositati nei sedimenti. Il team si è chiesto: potrebbe esserci stato qualche processo attraverso il quale la presenza di ossigeno ha stimolato il suo ulteriore accumulo?
Shang e Rothman elaborarono un modello matematico che fece la seguente previsione: se i microbi possedessero la capacità di ossidare solo parzialmente la materia organica, la materia parzialmente ossidata, o "POOM", diventerebbe effettivamente "appiccicosa" e si legherebbe chimicamente ai minerali nei sedimenti in un modo che proteggerebbe il materiale da un'ulteriore ossidazione. L'ossigeno che altrimenti sarebbe stato consumato per degradare completamente il materiale sarebbe invece libero di accumularsi nell'atmosfera. Questo processo, hanno scoperto, potrebbe servire come feedback positivo, fornendo una pompa naturale per spingere l'atmosfera in un nuovo equilibrio ad alto contenuto di ossigeno.
"Questo ci ha portato a chiederci, c'è un metabolismo microbico là fuori che ha prodotto POOM?" Fourier dice. Per rispondere a questo, il team ha cercato nella letteratura scientifica e ha identificato un gruppo di microbi che ossida parzialmente la materia organica nelle profondità oceaniche oggi. Questi microbi appartengono al gruppo batterico SAR202 e la loro ossidazione parziale viene effettuata attraverso un enzima, Baeyer-Villiger monoossigenasi, o BVMO.
Il team ha effettuato un'analisi filogenetica per vedere fino a che punto il microbo e il gene per l'enzima potevano essere rintracciati. Hanno scoperto che i batteri avevano effettivamente antenati risalenti a prima del GOE e che il gene per l'enzima poteva essere rintracciato in varie specie microbiche, fin dai tempi pre-GOE.
Inoltre, hanno scoperto che la diversificazione del gene, o il numero di specie che hanno acquisito il gene, è aumentata significativamente durante i periodi in cui l'atmosfera ha sperimentato picchi di ossigenazione, tra cui una volta durante il Paleoproterozoico del GOE e di nuovo nel Neoproterozoico.
"Abbiamo trovato alcune correlazioni temporali tra la diversificazione dei geni produttori di POOM e i livelli di ossigeno nell'atmosfera", dice Shang. "Questo supporta la nostra teoria generale". Per confermare questa ipotesi sarà necessario molto più follow-up, dagli esperimenti in laboratorio alle indagini sul campo, e tutto il resto. Con il loro nuovo studio, il team ha introdotto un nuovo sospetto nel caso secolare di ciò che ha ossigenato l'atmosfera terrestre. "Proporre un nuovo metodo e mostrare prove della sua plausibilità è il primo ma importante passo", dice Fournier. "Abbiamo identificato questa come una teoria degna di studio".