Origine dell'atmosfera
Per capire come si è formata l'atmosfera, gli scienziati hanno dovuto
prendere in esame un arco di tempo geologico di 4,5 miliardi di anni. Per
sviluppare un modello coerente dei cambiamenti avvenuti nell'atmosfera, occorre
tener conto dei principi della chimica e della biologia. Gli scienziati
generalmente concordano sul fatto che l'atmosfera terrestre si è originata in
seguito all'emissione di gas da parte dei vulcani. Su questo punto esiste
però un problema: la composizione dei gas vulcanici osservati attualmente è
radicalmente diversa da quella dell'atmosfera; in particolare, i vulcani non
emettono ossigeno.
Se, come appare per molti aspetti plausibile, la composizione dei gas emessi
dai vulcani all'inizio della storia della Terra era sostanzialmente simile a
quella odierna, come si è verificato un così radicale cambiamento di
composizione dell'atmosfera?
Sul pianeta ancora giovane, i gas vulcanici, nel risalire dall'interno della
Terra ad alta temperatura e pressione, subirono certamente dei mutamenti fisici
e chimici. La maggior parte del vapor d'acqua emesso dev'essersi condensata per
raffreddamento, andando a riempire gli oceani. Molto dell'idrogeno, il più
leggero dei gas, dev'essere sfuggito all'attrazione gravitazionale del pianeta,
disperdendosi nello spazio. Il biossido di carbonio probabilmente reagì in gran
parte con minerali presenti in superficie, formando rocce carbonatiche (v.
carbonati). Tuttavia, nessuno di questi fenomeni avrebbe liberato ossigeno,
essenziale per lo sviluppo di forme di vita superiori.
Esistono significative prove che documentano l'assenza di ossigeno durante
il primo miliardo di anni di vita della Terra. Primo, le rocce più antiche
mostrano indizi di bassi stati d'ossidazione; ad esempio, nei giacimenti di
uranio di Blind River, in Canada, si ritrova uraninite,
un minerale di uranio che si decompone nell'atmosfera attuale ricca di ossigeno.
Secondo, non è nota alcuna plausibile sorgente di ossigeno molecolare. Infine,
le teorie generalmente accettate sull'origine della vita indicano che le prime
forme di vita si sono sviluppate in assenza d'ossigeno.
Sono state formulate due teorie per spiegare la comparsa dell'ossigeno
nell'atmosfera. La prima prevede la dissociazione
del vapor d'acqua ad opera della radiazione ultravioletta
(fotodissociazione), con produzione di idrogeno e ossigeno molecolari. Tuttavia,
la produzione di grandi quantità di ossigeno secondo questa reazione
richiederebbe che enormi quantità d'idrogeno siano sfuggite dall'atmosfera
nello spazio, il che non appare molto verosimile. Pertanto non sembra che la
fotodissociazione dell'acqua possa essere stata la principale fonte di ossigeno
nell'atmosfera.
Una seconda e più probabile alternativa è che l'ossigeno sia stato
prodotto dagli organismi viventi stessi, principalmente attraverso il meccanismo
noto come fotosintesi, secondo il quale biossido di carbonio e acqua si
combinano per produrre zuccheri e ossigeno. Secondo alcuni calcoli, circa il 99%
dell'ossigeno libero totale esistente nell'atmosfera fino dall'inizio della
Terra è stato prodotto tramite fotosintesi e soltanto l'1% tramite
fotodissociazione.
Se la vita ha dato origine alla maggior parte dell'atmosfera, tuttavia, la
stessa vita deve aver avuto origine in un ambiente che avrebbe dovuto essere
estremamente ostile alle forme viventi così come le conosciamo oggi. Senza
l'ossigeno, la radiazione ultravioletta del Sole, mortale per tutte le cellule
viventi, raggiungerebbe alla superficie della Terra concentrazioni letali.
Così, i primi organismi devono aver vissuto in un habitat molto ristretto:
sotto uno strato d'acqua, eppure abbastanza vicino alla superficie per
beneficiare della luce solare, e nello stesso tempo abbastanza in profondità
per evitare la radiazione ultravioletta. In un'atmosfera ossigenata, le
radiazioni letali penetrano fino ad una profondità di circa 10 m e le prime
forme di vita probabilmente vivevano vicino o poco sotto questo livello,
liberando ossigeno che per loro era un veleno come prodotto secondario di una
reazione di fermentazione. Mentre questi organismi vivevano, morivano e cadevano
sul fondo, l'ossigeno e l'ozono si accumulavano lentamente nell'atmosfera.
L'ozono, gradualmente, formava una barriera contro la radiazione ultravioletta
che giungeva sulla Terra, rendendo più ospitali le zone superiori degli oceani.
Gli organismi viventi, allora, invasero gli ambienti acquatici situati
immediatamente al di sotto della superficie, dove giungeva in abbondanza la
radiazione solare. Quindi si sono evoluti in forme che erano in grado di
ottenere energia tramite la respirazione, così come gli altri la ottenevano
dalla fermentazione, e il processo di fotosintesi ne risultò accelerato. A
questo punto, sembra durante il periodo cambriano, iniziato circa 570 milioni di
anni fa, si è avuta una rapida diversificazione di specie. Infine, il contenuto
di ossigeno nell'atmosfera è aumentato tanto da permettere alle forme viventi
di passare dall'acqua alla terraferma, il che è avvenuto nel periodo siluriano,
circa 430 milioni di anni fa.
Probabilmente la quantità di ossigeno presente nell'atmosfera è variata in
conseguenza degli importanti cambiamenti climatici del passato e con le
associate variazioni dei processi di fotosintesi, ma questi mutamenti su vasta
scala non possono essere misurati. Su una scala più ridotta si è scoperto che
l'ossigeno sfugge nell'atmosfera dalle regioni polari nella misura di circa
50.000.000 di Kg all'anno, ma questa perdita è compensata dalla dissociazione
del vapor d'acqua.
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