Perché esiste la vita sulla Terra? È uno degli interrogativi più antichi che l’umanità si sia posta e, per quanto ne sappiamo, il nostro pianeta è l’unico a custodirne la risposta. La Terra è inoltre l’unico pianeta noto a possedere una tettonica a placche: un lento ma costante movimento del suo guscio esterno che ricicla le rocce, rimodella i continenti e mette in circolo i nutrienti essenziali per sostenere la vita. Un nuovo studio internazionale, pubblicato sulla rivista Nature Geoscience e guidato dal Dottor Hugo Moreira – ricercatore della Royal Society presso l’Università di Portsmouth – ci aiuta a comprendere meglio le origini della vita, ricostruendo la storia remota dell’ossigeno terrestre fino a miliardi di anni fa, in un’epoca in cui il pianeta e la sua atmosfera erano profondamente diversi da quelli attuali.
Una capsula del tempo racchiusa in un cristallo
Per spingersi così indietro nel tempo, il team di Moreira si è concentrato su uno dei minerali più resistenti presenti sulla Terra: lo zircone. Questi minuscoli cristalli possono rimanere pressoché inalterati per miliardi di anni; grazie all’impiego di laser presso il laboratorio di spettrometria di massa e ablazione laser dell’università, gli scienziati sono in grado di datarli con estrema precisione. Nello specifico, questo studio ha permesso di stabilire che alcuni campioni risalgono esattamente a 3,4 miliardi di anni fa.
Alcuni di questi zirconi contengono al loro interno un secondo minerale, più piccolo, chiamato apatite, rimasto intrappolato come un insetto nell’ambra. Poiché si trova sigillata all’interno del più robusto zircone, l’apatite è protetta da qualsiasi alterazione, il che significa che ha esattamente la stessa età del minerale che la ospita. “Per gli scienziati, questi minerali sono davvero affascinanti: si tratta, a tutti gli effetti, di capsule del tempo”, spiega Moreira, dell’Istituto per la Terra e l’Ambiente dell’ateneo. “Essendo così ben protetti, ci permettono di analizzarne l’impronta chimica e di ottenere un’istantanea incontaminata di un momento risalente a miliardi di anni fa. Stiamo indagando sulla Terra primordiale – un pianeta radicalmente diverso da quello odierno – per scoprire cosa sia rimasto visibile ancora oggi di quel lontano passato”.
Da un laboratorio a un gigantesco apparecchio a raggi X
Il team ha collaborato con una rete internazionale di ricercatori, esaminando antichi campioni di roccia provenienti da diverse parti del mondo – tra cui Australia, Finlandia, Sudafrica, Brasile e Scozia – inviati a Portsmouth per una prima analisi. I campioni sono stati poi trasferiti presso l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble, in Francia, una delle strutture a raggi X più potenti al mondo. Qui, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica specializzata per determinare lo stato chimico dello zolfo intrappolato all’interno di minuscoli cristalli di apatite. La forma assunta dallo zolfo funge da impronta chimica estremamente sensibile: essa rivela la quantità di ossigeno presente al momento della formazione del cristallo, in corrispondenza del punto in cui lo strato esterno del pianeta viene trascinato verso il basso e riciclato nel suo interno, un processo noto come subduzione.
“Questi cristalli sono minuscoli, spesso più sottili di un capello umano, e contengono solo piccole quantità di zolfo”, ha spiegato la coautrice Marine Cotte, scienziata responsabile di ID21, la beamline dell’ESRF presso la quale sono state effettuate le misurazioni. “Per questo avevamo bisogno di un fascio di raggi X estremamente sottile, molto sensibile e abbastanza rapido da consentire l’analisi di un gran numero di cristalli. In tal modo, abbiamo potuto avere la certezza che i risultati riflettessero un quadro generale, anziché limitarsi a uno o due campioni”.
Il primo respiro della Terra
Per gran parte della sua storia primordiale, la Terra era quasi priva di ossigeno, sia nell’atmosfera che negli oceani. La situazione è cambiata in modo permanente circa 2,3 miliardi di anni fa, in quello che è noto come il “Grande Evento di Ossidazione”, spesso descritto come il momento in cui la Terra ha “iniziato a respirare”. Da tempo, inoltre, gli scienziati ipotizzano l’esistenza di brevi impulsi localizzati di ossigeno ancora più remoti: piccole “oasi di ossigeno” comparse tra i 3 e i 3,5 miliardi di anni fa, in un’epoca in cui sulla Terra non vi era quasi traccia di forme di vita in grado di produrlo.
Lo zolfo intrappolato in questi antichi cristalli dimostra che, già a quell’epoca, il mantello profondo della Terra reagiva alla presenza di ossigeno proveniente dalla superficie. Il mantello è lo spesso strato intermedio del pianeta, prevalentemente solido, situato tra la crosta e il nucleo esterno. La firma chimica dell’ossigeno negli strati del mantello interessati dal riciclo è aumentata tra 3,4 e 3 miliardi di anni fa, rimanendo costantemente presente per l’intero arco temporale di 3,4 miliardi di anni oggetto dello studio, fino a raggiungere i livelli attuali circa 2,1 miliardi di anni fa.
Ciò suggerisce che una qualche forma di subduzione – il processo che ricicla continuamente il materiale superficiale verso le profondità terrestri – stesse già trasportando materiale ossidato verso l’interno del pianeta, proprio mentre l’atmosfera sovrastante andava incontro a dei cambiamenti. In altre parole, il mondo del mantello profondo e quello della superficie erano collegati e interagivano tra loro molto prima di quanto si pensasse in precedenza.
Si tratta inoltre della prima volta in cui gli scienziati utilizzano lo stesso tipo di roccia lungo l’intero arco temporale analizzato, anziché confrontare tipologie di rocce differenti provenienti da epoche diverse. Moreira ha spiegato perché questo aspetto sia rilevante: “l’impiego dello stesso tipo di roccia per l’intero periodo ci permette di ottenere risultati molto più solidi. Mettiamo a confronto elementi omogenei nell’arco di miliardi di anni, evitando di dover colmare il divario tra tipologie di prove differenti”.
Il quadro generale
Moreira riconosce che questa ricerca non cambierà la vita quotidiana di nessuno nel breve periodo. Essa nasce, piuttosto, da alcuni degli interrogativi più antichi che l’essere umano si sia mai posto. “Non si tratta di cambiare il nostro modo di vivere da domani”, afferma. “Si tratta di rispondere a questioni filosofiche insite nella nostra natura umana: da dove veniamo e perché siamo qui? È una ricerca mossa dalla curiosità, dal semplice desiderio di conoscere. Sebbene non abbia un impatto immediato sulla vita delle persone comuni, può aiutare l’umanità a comprendere meglio se stessa come specie. A mio avviso, la tettonica a placche ha giocato un ruolo fondamentale non solo nell’emergere della vita, ma anche nel suo continuo sviluppo. Stiamo cercando di risalire al momento in cui la vita è diventata possibile e a quando questo sistema è stato introdotto sul nostro pianeta, per comprendere le origini di una Terra abitabile”.
Lo studio prosegue un lavoro precedente, pubblicato sulla rivista Nature Geoscience nel 2023, che ha rivelato per la prima volta un legame tra l’antica atmosfera terrestre e la chimica delle profondità del pianeta, in relazione al Grande Evento di Ossidazione.
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