I picchi di densità di ossigeno avrebbero favorito l’esplosione di vita del Cambriano

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Per oltre un miliardo di anni dopo la sua nascita, la vita animale sulla Terra, ristagnò nella semplicità; le spugne rappresentavano l’apice della sua complessità. Poi, circa 541 milioni di anni fa, il ritmo della trasformazione e dell’evoluzione accelerò improvvisamente. Questo periodo, noto come l’esplosione del Cambriano, definì, più o meno, l’aspetto e la forma di quasi tutti i principali gruppi di animali viventi oggi.

Nel giro di poche decine di milioni di anni, un battito di ciglia geologico, il mondo vivente si espanse in un’esplosione di varietà, divenne sempre più complessa ed attecchì sulla terraferma, in una parvenza della sua attuale pienezza. Sebbene lavori recenti suggeriscano che importanti ed improvvise espansioni nella biodiversità animale siano avvenute prima e dopo l’esplosione del Cambriano, non c’è dubbio che sia stato un periodo straordinario e sconcertante nella storia evolutiva.

Perché la vita animale prese ad evolversi ed a diventare più complessa in tempi relativamente brevi, rimane una domanda scottante per paleontologi e teorici dell’evoluzione. Era solo necessario che la giusta combinazione di geni si evolvesse? Oppure c’erano fattori ambientali che limitavano le possibili forme della vita, costringendola ad aspettare fino a che si realizzarono le giuste condizioni in grado di sostenere una maggiore complessità?

Un articolo pubblicato all’inizio di questa settimana in Nature Geoscience offre un supporto dettagliato per l’idea che l’evoluzione della diversità animale e la disponibilità di abbondante ossigeno siano collegati strettamente, ma con una particolarità.

I mari del Cambriano videro una serie di picchi e di cali improvvisi della disponibilità dei livelli di ossigeno, sostiene l’articolo. Il team internazionale di chimici, paleontologi e modellatori biogeochimici dietro il lavoro ha legato queste rapide fluttuazioni dell’ossigeno alle raffiche di diversificazione ed estinzioni avvenute durante l’esplosione del Cambriano.

Non è chiaro se questi momenti di moltiplicazione nella diversità animale derivino da una disponibilità generalmente maggiore di ossigeno o dal rapido ciclo dei picchi e dei cali della disponibilità di questo gas durante il Cambriano. Questi risultati suggeriscono, però, che il legame tra l’aumento dell’ossigeno e l’aumento della complessità animale non sia una coincidenza.

Questo è un contributo importante“, ha detto Rachel Wood, una paleontologa dell’Università di Edimburgo non coinvolta in questo studio. “Esistono diversi studi che cercano di documentare l’aumento dei livelli di ossigeno durante questo periodo di tempo, ma l’integrazione di questi dati con dati paleontologici ad alta risoluzione è stata impegnativa“, ha affermato. “Questi ricercatori hanno fatto del loro meglio per fare proprio questo, e il risultato è davvero interessante.”

L’idea che l’ossigeno fosse un prerequisito per l’evoluzione di forme vita più complesse e dinamiche esiste da decenni. La respirazione aerobica, basata sull’ossigeno, fornisce energia metabolica circa 18 volte più efficientemente della respirazione anaerobica. Corpi più complessi e stili di vita basati sulla caccia (e quindi prede in grado di sfuggire alla caccia) richiedono questa spinta metabolica. Quella che la vita complessa non potrebbe emergere senza un adeguato combustibile è un’idea più che credibile.

Trovare prove concrete è stata una sfida perché non si può misurare direttamente la concentrazione di ossigeno che si trovava negli oceani del Cambriano poichè il gas disciolto non si fossilizza. Invece, i ricercatori hanno cercato di sondare il passato osservando i depositi sedimentari: composti di ferro, carbonio o zolfo in strati geologici con proprietà che possono essere misurati e inseriti in modelli che permettano di studiare la loro interazione con ilivelli di ossigeno antichi.

 

IMMAGINE: fossile Wiwaxia
Wiwaxia corrugata, un’antica specie di animale ricoperto di squame e spine, è stata conservata nella formazione di Burgess Shale del Cambriano. – Martin R. Smith

L’oceano primordiale non aveva ossigeno, ha spiegato Tianchen He, paleontologo presso l’Università di Leeds e autore principale dello studio. Furono i primi microorganismi fotosintetici nei mari ad introdurre l’ossigeno sulla Terra primitiva, “ma la fotosintesi non era il principale regolatore di ossigeno in quel momento“, ha detto.

Invece, i processi ciclici naturali nell’oceano, come i cicli di carbonio e zolfo, determinarono la quantità di ossigeno che raggiunse la superficie. Ad esempio, il carbonio viene continuamente scambiato tra l’atmosfera (come l’anidride carbonica) e gli oceani (come l’acido carbonico o il carbonato) attraverso il ciclo del carbonio, cambiando così la chimica dell’oceano, che influenza i livelli di ossigeno.

I ricercatori hanno misurato i cambiamenti nella composizione del carbonio organico e dello zolfo attraverso le registrazioni geologiche per modellare la chimica dell’oceano antico e i livelli di ossigeno, ma mai in un’area che consentiva un confronto ad alta risoluzione con i reperti fossili, secondo Wood. Mai, cioè, fino al nuovo studio di He e dei suoi colleghi.

Un luogo in Russia chiamato Siberian Platform, posto tra Yenisey e Lena Rivers, ha presentato questa opportunità, in quanto contiene un ampio e continuo record di carbonio e zolfo accanto a uno dei giacimenti fossili più ricchi del Cambriano. L’antico fondale marino “rappresenta oltre la metà della biodiversità globale cambriana“, ha affermato. “È un posto unico, ma molto remoto.” Dove i campioni sono stati raccolti da un team di ricercatori russi e cinesi nel 2008, che lo hanno potuto raggiungere in barca ed elicottero.

Si tratta di fluttuazioni piuttosto estreme“, ha detto He, spiegando che ogni picco e calo comportavano un aumento o una diminuzione dell’ossigeno disponibile di circa il 50%. “Precedenti studi suggeriscono che i livelli di ossigeno durante il Cambriano erano circa il 40 per cento dei livelli atmosferici di oggi“, ha detto. “Oscillazioni del cinquanta percento sono, quindi, molto alte.

Ad ogni aumento della concentrazione di ossigeno corrispondeva a un alto livello locale di biodiversità, mentre i cali nei livelli di ossigeno erano associati a tassi più elevati di estinzione. Ad esempio, un aumento avvenuto tra 521 e 522 milioni di anni fa era associato alla comparsa di numerose nuove specie di animali, come ad esempio, trilobiti e artropodi bivalvi. Un paio di milioni di anni dopo, un ulteriore aumento dei livelli di ossigeno coincise con un aumento di grandi artropodi predatori.

L’esplosione del Cambriano non è stata un evento singolare. È avvenuto per fasi successive con picchi e crolli“, ha detto. “Nel nostro studio, l’ascesa e la caduta dei livelli di ossigeno sono correlate a agli slanci evolutivi“.

Per Wood, “I dati mostrano chiaramente una correlazione positiva.” Ha aggiunto, “La domanda più interessante è: perché?” Una spiegazione è che l’aumentata densità di ossigeno atmosferico ha provocato anche una crescita della quantità di ossigeno disciolto nei mari poco profondi. Ogni aumento dell’ossigeno ha consentito un’espansione delle forme e dei modi di vivere. Ciò a sua volta ha creato maggiori opportunità per le interazioni ecologiche, una specie di “corsa alle armi coevolutive” tra predatori e prede, che potrebbe avere accelerato la diversificazione.

Altrettanto importanti furono i momenti di calo della disponibilità di ossigeno, secondo Wood.Spesso, una fase di estinzione viene seguita da una nuova esplosione di varietà per riempire la nicchia rimasta libera non appena se ne presenta l’occasione“, ha detto. Queste rapide fluttuazioni dell’ossigeno, potrebbero avere creato un’espansione e una contrazione dello spazio abitabile, hanno sostanzialmente agito come un mantice che ha alimentato il fuoco di una maggiore diversità. “La natura dinamica di questi alti e bassi potrebbe essere stata ciò che ha causato l’esplosione del Cambriano.”, ha detto.

Non è del tutto chiaro cosa abbia causato questi alti e bassi della concentrazione dell’ossigeno. Alcuni pensano che potrebbe essere stato un meccanismo intrinsecamente autoregolante dei primi oceani, qualcosa che è emerso dal ciclismo chimico naturale. Un’idea più controversa, capovolge la catena causale, suggerendo che una maggiore diversità animale ha comportato il movimento di più animali nell’acqua, provocando una maggiore miscelazione delle acque oceaniche, aumentando i livelli medi di ossigeno disponibile.

Sottolinea che l’aumento dell’ossigeno non è l’unica causa dell’aumento della diversità. Una volta evoluta la complessità, potrebbe aggravarsi, guidata da interazioni ecologiche. Ma Egli sostiene che, affinché ciò fosse possibile, erano necessari livelli di ossigeno più elevati.

Questo studio rappresenta solo una fetta locale della storia geologica. Sperabilmente, si dovrà ripetere la stessa analisi ad alta risoluzione in altre parti del mondo per corroborare il modello visto in Siberia. (alcune ricerche precedenti in Cina hanno prodotto risultati simili).