Attività vulcanica, manto terrestre e ossigeno

L'Eone Archeano, quando solo la vita microbica era diffusa sulla Terra, era più vulcanicamente attiva di oggi. Le eruzioni vulcaniche sono alimentate dal magma - una miscela di roccia fusa e semi-fusa - così come dai gas che fuoriescono anche quando il vulcano non sta eruttando.

L'attività vulcanica e i cambiamenti nel mantello terrestre sono stati fondamentali per l'innalzamento dell'ossigeno atmosferico

L'ossigeno si è accumulato per la prima volta nell'atmosfera terrestre circa 2,4 miliardi di anni fa, durante il Grande evento di ossidazione. Un enigma di vecchia data è stato che gli indizi geologici suggeriscono che i primi batteri stessero fotosintetizzando e pompando ossigeno centinaia di milioni di anni prima di allora. Dove stava andando tutto?

Qualcosa stava trattenendo l'aumento dell'ossigeno. Una nuova interpretazione delle rocce di miliardi di anni fa che i probabili colpevoli sono i gas prodotti da attività vulcanica. Lo studio condotto dall'Università di Washington è stato pubblicato a giugno sulla rivista ad accesso aperto Nature Communications .

"Questo studio fa rivivere un'ipotesi classica per l'evoluzione dell'ossigeno atmosferico", ha detto l'autore principale Shintaro Kadoya, un ricercatore post-dottorato UW nelle scienze della Terra e dello spazio. "I dati dimostrano che un'evoluzione del mantello della Terra potrebbe controllare un'evoluzione dell'atmosfera della Terra, e forse un'evoluzione della vita."

La vita multicellulare ha bisogno di un apporto concentrato di ossigeno, quindi l'accumulo di ossigeno è la chiave per l'evoluzione della vita che respira ossigeno sulla Terra.

"Se i cambiamenti nel mantello controllassero l'ossigeno atmosferico, come suggerisce questo studio, il mantello potrebbe in definitiva stabilire un ritmo dell'evoluzione della vita", ha detto Kadoya.

Il nuovo lavoro si basa su un documento del 2019 che ha scoperto che il mantello della Terra era molto meno ossidato o conteneva più sostanze che possono reagire con l'ossigeno rispetto al mantello moderno. Lo studio di antiche rocce vulcaniche, fino a 3,55 miliardi di anni fa, è stato raccolto da siti che includevano il Sudafrica e il Canada.

Robert Nicklas presso Scripps Institution of Oceanography, Igor Puchtel presso l'Università del Maryland e Ariel Anbar presso l'Arizona State University sono tra gli autori dello studio del 2019. Sono anche coautori del nuovo articolo, osservando come i cambiamenti nel mantello hanno influenzato i gas vulcanici che sono fuggiti in superficie.

Attività vulcanica e reazioni chimiche

L'Eone Archeano, quando solo la vita microbica era diffusa sulla Terra, era più vulcanicamente attiva di oggi. Le eruzioni vulcaniche sono alimentate dal magma - una miscela di roccia fusa e semi-fusa - così come dai gas che fuoriescono anche quando il vulcano non sta eruttando.

Alcuni di questi gas reagiscono con l'ossigeno o si ossidano per formare altri composti. Ciò accade perché l'ossigeno tende ad essere affamato di elettroni, quindi qualsiasi atomo con uno o due elettroni a tenuta libera reagisce con esso. Ad esempio, l'idrogeno rilasciato da un vulcano si combina con qualsiasi ossigeno libero, rimuovendo tale ossigeno dall'atmosfera.

La composizione chimica del mantello terrestre, o lo strato più morbido di roccia sotto la crosta terrestre, controlla in definitiva i tipi di roccia fusa e gas provenienti dai vulcani. Un primo mantello meno ossidato produrrebbe più gas come l'idrogeno che si combinano con l'ossigeno libero. Il documento del 2019 mostra che il mantello è diventato gradualmente più ossidato da 3,5 miliardi di anni fa ad oggi.

Il nuovo studio combina questi dati con prove provenienti da antiche rocce sedimentarie per mostrare un punto di svolta qualche tempo dopo 2,5 miliardi di anni fa, quando l'ossigeno prodotto dai microbi ha superato la sua perdita in gas vulcanici e ha iniziato ad accumularsi nell'atmosfera.

"Fondamentalmente, la fornitura di gas ossidabili da attività vulcanica è stata in grado di divorare ossigeno fotosintetico per centinaia di milioni di anni dopo che la fotosintesi si è evoluta", ha affermato il co-autore David Catling, professore di scienze terrestri e scienze spaziali. "Ma quando il mantello stesso è diventato più ossidato, sono stati rilasciati meno gas vulcanici ossidabili. Quindi l'ossigeno ha inondato l'aria quando non c'era più abbastanza gas vulcanico per assorbire tutto."

Ciò ha implicazioni per comprendere l'emergere di una vita complessa sulla Terra e la possibilità della vita su altri pianeti.

"Lo studio indica che non possiamo escludere il mantello di un pianeta quando si considera l'evoluzione della superficie e della vita del pianeta", ha detto Kadoya.

Questa ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation.


Fonte:

Università di Washington


Riferimenti:

Shintaro Kadoya, David C. Catling, Robert W. Nicklas, Igor S. Puchtel, Ariel D. Anbar. I dati del mantello implicano che un declino dei gas vulcanici ossidabili avrebbe potuto innescare la Grande Ossidazione . Nature Communications , 2020; 11 (1) DOI: 10.1038 / s41467-020-16493-1