L’atmosfera terrestre ricca di ossigeno potrebbe dover la sua esistenza alla subduzione fredda

Per gran parte dei suoi 4,5 miliardi di anni di esistenza, la Terra è stata in gran parte priva di ossigeno. Questo fino a quando non sono iniziati determinati processi che hanno permesso il progressivo accumulo di ossigeno fino ai livelli attuali (circa il 21% dell’atmosfera). Sebbene gli scienziati abbiano trovato prove delle tempistiche approssimative dell’aumento dell’ossigeno nel tempo e siano a conoscenza di alcuni dei meccanismi che lo determinano, il principale fattore alla base dell’ossigenazione a lungo termine della Terra rimane ancora sconosciuto.

Un nuovo studio esplora se i cambiamenti nello stile di subduzione, ovvero il modo in cui le placche tettoniche sprofondano, abbiano influenzato i livelli di ossigeno nel corso del tempo. Lo studio, pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences , indica un processo chiamato subduzione fredda come il principale fattore determinante dell’aumento dei livelli di ossigeno sulla Terra, che in definitiva ha portato a un pianeta più abitabile.

Un’atmosfera ricca di ossigeno in tre fasi

Le evidenze geologiche e geochimiche indicano che l’atmosfera terrestre si è probabilmente arricchita di ossigeno in tre fasi principali, rendendo possibile la comparsa di forme di vita complesse. Il primo grande aumento di ossigeno atmosferico, noto come Grande Evento di Ossigenazione (o Ossidazione) (GOE), si è verificato tra circa 2,4 e 2 miliardi di anni fa. Questo evento ha ossigenato la superficie oceanica e ha incrementato il movimento e l’accumulo di oligoelementi sensibili al potenziale redox nei sedimenti marini, portando infine alla comparsa delle prime forme di vita eucariotiche.

Dopo un periodo di un miliardo di anni, definito il “miliardo noioso”, si verificò l’Evento di Ossigenazione Neoproterozoica (NOE), durato da circa 800 a 540 milioni di anni fa. Infine, il terzo aumento, chiamato Evento di Ossigenazione Paleozoica (POE), si verificò tra 450 e 250 milioni di anni fa e portò i livelli di ossigeno ai livelli attuali. Alcuni studi suggeriscono che questo evento abbia determinato un aumento delle dimensioni degli organismi e la comparsa di predatori più diversificati e specializzati.

Gli autori del nuovo studio affermano che fattori come la fotosintesi, la successiva successione dei produttori primari dominanti, dalle alghe alle piante vascolari, una brusca riduzione del vulcanismo sottomarino e l’ossidazione del mantello superiore hanno probabilmente avuto un impatto sulla produzione e sull’accumulo di ossigeno sulla Terra, insieme ad altri processi minori. Tuttavia, ritengono che questi fattori da soli potrebbero non essere stati sufficienti a raggiungere i livelli di ossigeno che abbiamo oggi.

Il team scrive: “Tuttavia, non è chiaro come questi processi possano spiegare la traiettoria a lungo termine dell’ossigenazione della superficie terrestre, compresi i potenziali cambiamenti repentini rappresentati da GOE, NOE e POE, pertanto il fattore determinante di primo ordine dell’ossigenazione a lungo termine della superficie terrestre rimane sfuggente.”

L’affondamento dell’ossigeno 

Il team ha ipotizzato che l’aumento della subduzione fredda, un processo tettonico in cui placche oceaniche fredde si immergono nel mantello terrestre, abbia giocato un ruolo più importante. Secondo loro, la subduzione fredda ha probabilmente favorito l’affondamento del carbonio organico e della pirite nel mantello terrestre. Poiché il carbonio e la pirite reagiscono facilmente con l’ossigeno, la loro riduzione comporta in definitiva una diminuzione dei depositi di ossigeno. Ciò ha poi permesso l’accumulo di ossigeno atmosferico.

Per valutare se i cambiamenti negli stili di subduzione abbiano influenzato i livelli di ossigeno, il team ha costruito una serie temporale di rapporti metamorfici di temperatura e pressione, utilizzando rocce distribuite a livello globale risalenti agli ultimi 4 miliardi di anni. Queste informazioni offrono ai ricercatori uno spaccato della storia della subduzione, consentendo loro di stimare approssimativamente il tipo di subduzione avvenuta in diversi periodi.

Sostengono che le tendenze di temperatura e pressione, in particolare il raffreddamento caratterizzato da un basso rapporto temperatura/pressione, corrispondano in larga misura ai modelli GOE, NOE e POE.

Gli autori affermano: “Valori bassi di T/P si osservano durante due intervalli principali: nel Paleoproterozoico (circa 2,2-1,8 miliardi di anni fa) e dal Neoproterozoico medio ai giorni nostri (<0,8 miliardi di anni fa), in larga parte coincidenti rispettivamente con il presunto GOE e il NOE-POE. Il primo periodo con bassi valori di T/P è coerente con l’emergere della subduzione fredda associata alla formazione di Nuna/Columbia per convergenza di placche e orogenesi collisionale.

“Nonostante la loro rarità, queste località sono ampiamente distribuite e sosteniamo che riflettano una diminuzione complessiva dei rapporti termobarici legati a una subduzione stabile (continua) piuttosto che instabile (di breve durata o episodica), che avrebbe favorito il trasporto di carbonio organico (e pirite) nel mantello più profondo su scala globale.”

Modellazione di quattro miliardi di anni di ossigenazione

Il team ha quindi collegato i dati geologici a un modello biogeochimico (COPSE) per verificare l’ipotesi che l’emergere e la progressione della subduzione fredda negli ultimi 4 miliardi di anni abbiano contribuito all’ossigenazione a lungo termine della superficie terrestre. A tal fine, hanno simulato i cicli di ossigeno, carbonio e zolfo in un sistema comprendente serbatoi superficiali, crostali e del mantello.

I modelli hanno mostrato che una subduzione fredda più efficiente potrebbe spiegare l’aumento in tre fasi dell’ossigeno atmosferico. Gli autori dello studio scrivono: “Il nostro modello mostra che, a ritroso dai valori moderni, la pO₂ _diminuisce in due periodi, tra cui una diminuzione graduale della pO₂ _dai giorni nostri a circa 1,0 miliardi di anni fa, una pO₂ variabile durante il “Miliardo Noioso” e poi una ‘grande ossidazione’ dell’atmosfera tra circa 2,0 e 2,4 miliardi di anni fa, prevedendo infine uno stato archeano con solo tracce di ossigeno.”

Il team evidenzia alcune limitazioni del proprio studio. Affermano che la documentazione metamorfica è incompleta e distorta dalla conservazione e dal campionamento, e che il loro modello semplifica il sistema terrestre, mantenendo costanti molte variabili, ad eccezione dello stile di subduzione. A causa di queste limitazioni, i risultati sono più qualitativi e si concentrano sulle tendenze a lungo termine, piuttosto che sui livelli precisi di ossigeno. Ciononostante, lo studio fornisce utili spunti di riflessione su come la tettonica terrestre abbia plasmato l’atmosfera e la vita su larga scala, e suggerisce che la subduzione fredda abbia probabilmente giocato un ruolo fondamentale nel complesso.

Abstract

Sulla Terra, si ritiene che l’ossigeno atmosferico sia aumentato in tre intervalli principali prima di raggiungere i livelli moderni, e ogni intervallo ha avuto un profondo impatto sull’evoluzione della biosfera. Tuttavia, il principale fattore determinante di questi aumenti graduali rimane elusivo. Qui, compiliamo i rapporti termobarici metamorfici ( T / P ) nel tempo e li utilizziamo come proxy probabilistico di primo ordine per la probabilità di subduzione “fredda” (ovvero, con T / P < 375 °C GPa). ^–1 ) durante il raffreddamento secolare del mantello terrestre. Quindi, colleghiamo questa forzante tettonica alla modellazione biogeochimica per verificare se una subduzione fredda più efficiente possa aver aumentato il trasferimento netto di carbonio organico ridotto e pirite verso l’interno profondo della Terra, diminuendo così i pozzi di ossigeno e consentendo ai livelli di ossigeno superficiale di aumentare su scale temporali geologiche. I risultati della modellazione indicano che l’emergere progressivo della subduzione fredda potrebbe plausibilmente aver contribuito alla traiettoria di ossigenazione a lungo termine e alle tendenze secolari associate nell’anidride carbonica atmosferica, nel solfato dell’acqua di mare, nel fosforo sedimentario e nelle condizioni redox marine. Sebbene le grandezze assolute rimangano incerte, la traiettoria prevista dell’ossigenazione superficiale è qualitativamente coerente con l’ampio modello a tre fasi dedotto dai proxy geochimici. Proponiamo che la progressiva evoluzione della subduzione possa essere stata un fattore chiave dell’ossigenazione superficiale a lungo termine, collegando il raffreddamento del mantello all’aumento delle condizioni favorevoli per le forme di vita aerobiche.

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