Post n. 41
e Post n. 41 English.
La
storia della ricerca di antichi microfossili ebbe origine all’inizio del secolo
scorso quando il famoso paleontologo C. D Walcott, di cui avremo occasione di
parlare in seguito, ipotizzò che antichissime rocce denominate stromatoliti
fossero strutture sedimentarie di origine biologica.
La
scoperta da parte di Elso S. Barghoorn, “I fossili più antichi” Le Scienze
1971, di antichi microorganismi fossilizzati nelle stromatoliti degli scudi continentali o cratoni, diede avvio in tutto il mondo a un
gran numero di ricerche su microorganismi fossili. Tali ricerche hanno
interessato non solo le stromatoliti, ma anche altri tipi ti rocce sedimentarie
come Arenarie, Siltiti
e Argilloscisti e rocce carbonatiche.
Ma qual è la differenza tra le stromatoliti le
rocce sedimentarie?
Le
stromatoliti sono rocce prodotte da sedimenti di cianobatteri, di solito
carbonato di calcio. Gradualmente il
carbonato di calcio originario viene solubilizzato dall’acqua e sostituito con
la silice che col passare del tempo si trasforma in selce. All’interno delle stromatoliti si
trovano microorganismi appartenenti allo stesso
livello di evoluzione: i procarioti, organismi unicellulare dove il
cromosoma è un lunga catena diffusa nella cellula.
Le
rocce sedimentarie sono prodotte dalla disgregazione delle rocce ad opera degli
agenti atmosferici, trasportate e depositate dalle acque nei fondali dei laghi
o dei mari. Queste rocce, in fase di deposizione, hanno imprigionato al loro
interno l’habitat delle acque in cui si riversarono. Pertanto, all’interno
della rocce sedimentarie si trovano fossili di microorganismi e organismi nelle
diverse fasi dell’evoluzione.
Come
abbiamo visto la cellula eucariote, dalla cui evoluzione discendiamo anche noi,
inizia attraverso l’endosimbiosi, un procariote che ingoia un altro procariote.
Probabilmente nello stesso periodo un eucariote ha acquisito per endosimbiosi
un cianobatterio, dando origine ad una nuova cellula eucariote dotata di
fotosintesi, denominata alga verde, dalla cui evoluzione discendono le
piante. La cellula eucariote è quindi
più grande dei procarioti, e il suo cromosoma è contenuto in un nucleo centrale
distinto. Per inciso, la teoria dell’endosimbiosi, ormai largamente accettata
dagli scienziati, non rientra nella visione Darwiniana, più precisamente Neodarwiniana, di un’evoluzione per
mutazioni e selezione.
Nelle
antiche rocce sedimentarie, di 1,4 miliardi di anni fa, oltre a parecchi
fossili di microorganismi riconducibili a procarioti, sono stati individuati
nuovi fossili di microorganismi che non somigliano a nessun procariote.
J. W.
Schopf, uno dei maggiori esperti in materia, aveva osservato che le dimensioni
dei microfossili aumentavano al diminuire dell’età geologica. Schopf arrivò più
tardi a stabilire che i procarioti non superano 10 µm (micrometro) di diametro e soli 2 esemplari raggiungevano
60 µm.
Ora,
questi nuovi microfossili hanno un diametro mediamente di 250 µm e i più recenti di 3000 µm. Essi, classificati inizialmente
come “Acritarchi” (di origine incerta), sono stati quindi identificati come
antiche cellule di eucarioti che, attraverso successive fasi evolutive,
diventarono fino a 10000 volte più grande dei procarioti.
Come riporta Gonzalo Vidal, in “Le prime cellule eucarioti”, Le Scienze 1984
Acritarco |
I
primi fossili di eucarioti furono rinvenuti negli Urali meridionali e nel
Montana e sono stati datati 1,4 miliardi di anni fa circa. Eucarioti sono stati
trovati negli Argilloscisti nelle Siltiti e nelle Arenarie in varie località
del pianeta di tutte le età da 1,4 a 0,6 miliardi di anni fa e dovevano essere
certamente microorganismi che vivevano liberamente nelle acque cioè
planctonici.
Al
solito, per l’enorme distanza temporale le date devono essere considerate
approssimate.
Come riportato nella “Precambrian Research”
Febbraio 2019: Molecular clock estimates for the age of the last
eukaryotic common ancestor (LECA) range from c.
2300 Ma to c.1000 Ma and largely depend on the molecular clock
models and fossil calibrations used.
Recenti
ritrovamenti di microfossili di eucarioti nella formazione del Changcheng nel
Nord della Cina e nella formazione di Mallapunyah nord Australia sono stati datati 1,65 miliardi di anni fa. Schopf, sposta la presenza degli eucarioti a 1,8 miliardi di anni
fa. In Cina, Russia e Ucraina sono stati trovati fossili riconducibili ad
eucarioti in rocce di quel periodo. La maggior parte dei reperti di
microfossili eucarioti si trovano però intorno a 1,5-1,4 miliardi di anni fa.
Possiamo prendere la data di 1,5 miliardi di anni fa come data certa in cui
esisteva una presenza consolidata di eucarioti.
Dalla
documentazione fossile sembra accertato che gli eucarioti autotrofi, le alghe
verdi, abbiano avuto, subito dopo la loro comparsa, una rapida diffusione, mentre
gli eucarioti eterotrofi, da cui discendiamo anche noi, hanno avuto una
crescita più veloce circa 0,8 miliardi di anni fa.
Sembra
anche accertata la dipendenza degli eucarioti da un certo contenuto di ossigeno
nell’atmosfera e di conseguenza un maggiore contenuto di ossigeno negli oceani.
Uno dei modi in cui avviene la riproduzione
negli eucarioti è la mitosi. Come illustra Preston Cloud “La biosfera”, Le
Scienze 1983: «La mitosi dipende dalle proprietà
contrattili dell’actomiosina che non si può formare
in assenza di ossigeno. Anche gli stadi più avanzati della sintesi degli steroli, degli acidi grassi
e del collagene, proteina fibrosa la cui
comparsa conduce ai muscoli e ai metazoi, dipendono da un sufficiente livello
di ossigeno».
Abbiamo
già evidenziato come 1,5 miliardi di anni fa il contenuto di ossigeno
nell’atmosfera, inizialmente 1/1000 dell’attuale, raggiunse, ad opera dei
cianobatteri, 1/100 dell’attuale.
In
conclusione, 1,5 miliardi di anni fa circa, un sostanziale aumento
dell’ossigeno nell’atmosfera, ha permesso alla vita, dopo 2 miliardi di anni
dalla sua comparsa, di fare un enorme passo evolutivo: la comparsa delle
cellule eucarioti, i nostri progenitori.
Come
abbiamo evidenziato nel precedente articolo, quattro eventi fondamentali hanno
prodotto svolte innovative che nel corso della storia della vita hanno
sconvolto il corso degli eventi. Senza queste svolte la vita nel nostro pianeta
sarebbe rimasta allo stadio di microorganismi. Della prima abbiamo già detto:
la fotosintesi aerobica dei cianobatteri. Ebbene, la seconda è proprio la comparsa della cellula eucariote
perché di essa noi siamo i discendenti.
Lo
sviluppo delle cellule eucariote ebbe delle fasi alterne. Come riporta ancora
ancora J. W. Schopf, intorno a 1,1 miliardi di anni si produsse una rapida
crescita di alcuni generi di eucarioti che, inizialmente intorno ad un diametro
di 1,5 millimetri, si svilupparono in dimensioni fino a superare, intorno a 900
milioni di anni fa, il diametro di 1 cm. Fu in questo periodo, secondo Schopf,
che l’evoluzione, dopo aver escogitato la fotosintesi, ad opera dei
cianobatteri, e che ha causato per 2,5 miliardi di anni una rivoluzione
nell’ecosistema, escogita una nuova rivoluzionaria invenzione: la sessualità.
Gli
eucarioti utilizzano due modi per moltiplicarsi: la mitosi, che è una divisione
della stessa cellula, una divisione cellulare più complessa che nei procarioti,
e la meiosi, che è la fusione di due cellule che mescolano il loro materiale genetico e successivamente si dividono dando
origine ad una evoluzione più rapida. Schopf, in “La culla della vita” 2003,
suggerisce che, 1,1 miliardi di anni fa, la rapida crescita degli eucarioti, possa essere dovuta all’invenzione della meiosi o,
come spesso viene detto, l’invenzione della sessualità. Egli mette in evidenza
come: «In una popolazione asessuata dieci mutazioni
possono produrre undici combinazioni geni (o genotipi•),
quella di partenza più le dieci dei nuovi mutanti. Invece in una popolazione di
organismi sessuati (supposta per semplicità geneticamente uniforme, a parte le
coppie di geni dove uno è normale e uno è mutante), le stesse dieci mutazioni
possono rimescolarsi in modo da produrre 310 genotipi (circa 60000)». E più avanti: «L’esplosione
dell’evoluzione, cominciata circa 1,1 miliardi di anni fa, sembra adeguatamente
spiegata dall’avvento della meiosi (la divisione delle cellule sessuali) e
dalla diffusione della sessualità eucariotica, “l’impulso a fondersi”. La
meiosi, potenziamento della più primitiva divisione cellulare di tipo mitotico,
era già all’opera perlomeno attorno a 950 milioni di anni fa, all’incirca l’età
[…] degli acritarchi provvisti di una parete con particolari pori (“pilomi”)
per l’emissione delle cellule riproduttive e di piccole alghe marine (alghe
rosse) a riproduzione sessuata. Rispetto agli eucarioti asessuati, quelli
sessuati devono essersi evoluti molto più in fretta, arricchendosi presto di
molti tipi nuovi. Poiché una tale esplosione si riscontra proprio nella serie
fossili del periodo compreso tra 1,1 miliardi e 900 milioni di anni fa, la
comparsa della sessualità sembra una spiegazione sensata - e molto
probabilmente corretta - di quest’inizio prorompente dell’evoluzione, la fase
di -ascesa- in una storia degli eucarioti fatta di salite e di cadute».
Non risulta che
questa visione abbia dato origine a obiezioni o contrapposte visioni.
In conclusione,
3,5 miliardi di anni fa comparve la prima svolta innovativa che ha cambiato il corso degli
eventi nella storia della vita, la
fotosintesi aerobica dei cianobatteri; 1,4 miliardi di anni fa circa comparve
la seconda svolta innovativa: gli eucarioti, i nostri progenitori; 1,1 miliardi
di anni fa l’evoluzione
ha prodotto la terza svolta fondamentale, la
sessualità, che definisce la
struttura biochimica della discendenza.
Alla
data di 900 milioni di anni fa, proprio all’apice della loro esplosione, inizia
declino dei grandi eucarioti fino alla loro totale scomparsa lasciando il posto
ad eucarioti più piccoli.
Ma
cosa ha provocato il loro declino?
Tutti
i corpi, a qualsiasi temperatura, emettono calore sotto forma di radiazione,
onde elettromagnetiche che cadono nella parte invisibile dello spettro,
l’infrarosso. Queste onde, quindi, noi non li vediamo ma li possiamo percepire,
è sufficiente avvicinare lateralmente la mano ad un corpo caldo, per esempio il
calorifero. Il caldo che ci colpisce la mano sono onde infrarosse. I pianeti
vengono colpiti da un’ampia gamma di onde elettromagnetiche proveniente dal
sole, onde che cadono principalmente nella parte visibile dello spettro, li
assorbono e si riscaldano. Parte di questo calore viene emesso nello spazio
interplanetario sotto forma di onde infrarosse. In funzione dell’energia
proveniente dal sole che colpisce i pianeti e dell’energia emessa dai pianeti
sotto forma di infrarosso si può calcolare, in modo approssimato, la
temperatura media del pianeta. Tale temperatura può poi essere messa a
confronto con le temperature effettivamente osservate attraverso apposite
apparecchiature. Così risulta che:
Temperatura calcolata Temperatura osservata
Mercurio 527°
Kelvin (254° Celsius) 527°
Kelvin (254° Celsius)
Marte
259° Kelvin (-19° Celsius) 250° Kelvin (-23° Celsius)
Terra 246° Kelvin (-27° Celsius) 290° Kelvin (+17° Celsius)
(fonte:
Mario Ageno “Lezioni di Biofisica 2, 1984)
Come
si vede la terra presenta una temperatura osservata maggiore di circa 50 gradi
di quella calcolata perché la presenza dell’atmosfera causa un effetto serra. In definitiva l’atmosfera
terrestre lascia passare i raggi in entrata, che cadono nella parte dello
spettro del visibile. La terra riscaldata emette onde che cadono nella parte
dell’infrarosso e l’atmosfera in parte li respinge e li rimanda indietro
aumentando la temperatura del pianeta. Tecnicamente si dice che l’atmosfera è
trasparente nel visibile e poco trasparente nell’infrarosso. L’atmosfera
terrestre è una miscela di gas, ma i responsabili dell’effetto serra sono
principalmente il vapore acqueo e in misura molto maggiore il diossido di
carbonio o anidride carbonica, CO2. Alla temperatura media di 17°
Celsius si raggiunge un certo equilibrio tra il visibile in entrata e
l’infrarosso in uscita, e la temperatura rimane costante. Però questa
temperatura rimane costante se rimane costante la composizione dei gas che
compongono l’atmosfera, il che non è affatto scontato!
Una glaciazione globale, denominata Terra a palla di neve, che si è estesa
fino in prossimità dell’equatore è iniziata circa 900 milioni di anni fa, proprio in concomitanza del declino dei grandi eucarioti e che, anche se con fasi alterne di lunghi periodi di glaciazioni e periodi di rapido surriscaldamento, si è prolungata per 300 milioni di anni. Sia Schopf (opera citata) che Robert M. Hazen “Breve storia della terra” 2017, concordano sul fatto che tale glaciazione sia stata determinata da un cambiamento climatico causato da due fattori. Da un lato una diminuzione della CO2 dell’atmosfera che, reagendo con il calcio disciolto degli oceani, è stata imprigionata sotto forma di calcare. Contemporaneamente sembra si sia verificata una forte crescita di cianobatteri e alghe verdi consumatori di CO2. Cianobatteri e alghe verdi sono stati successivamente sotterrati dall’erosione costiera e quindi tolti ai microorganismi riciclatori che si nutrono degli organismi morti che producono e rimettono in circolo la CO2. Secondo Hazen, la forte crescita di cianobatteri e alghe verdi è stata causata dalla frattura, iniziata 900 milioni di anni fa, del supercontinente Rodinia che a quell’epoca univa tutte la terre emerse.
Tale frattura diede origine,
lentamente, a nuove coste oceaniche ben presto colonizzate da cianobatteri e
alghe verdi. Questi microorganismi, consumatori di CO2 aumentarono
quindi in modo vertiginoso. La forte
riduzione di CO2 nell’atmosfera ha determinato una assottigliamento
dell’effetto serra dando origine ad un cambiamento climatico. L’atmosfera,
diventata più trasparente all’infrarosso, ha causato un drastico abbassamento
della temperatura e determinato un ampliamento delle calotte polari. Il
ghiaccio bianco, sempre più esteso, rifletteva la luce solare verso lo spazio
accelerando il raffreddamento del pianeta. Durante la fase della terra a palla
di neve, più che estinzioni di massa fu la vita intera a rischiare
l’estinzione. Fortunatamente i ghiacciai si fermarono in prossimità
dell’equatore. I microorganismi riuscirono a sopravvivere in una fetta del
pianeta intorno all’equatore e in prossimità delle fumarole vulcaniche dove si
erano prodotte pozze d’acqua temperate. Il successo dei cianobatteri fu causa
della loro quasi scomparsa.
Come
ha fatto la terra a riprendersi da questo inverno globale?
Ancora
secondo Hazen furono i gas vulcanici, il cui componente principale è la CO2,
a riscaldare il pianeta. Poiché il pianeta era quasi totalmente coperto di
ghiaccio, la CO2 non poteva essere rimossa come carbonato negli
oceani. Inoltre il consumo di CO2, da parte dei cianobatteri fortemente
diminuiti, era trascurabile. La concentrazione di questo gas serra
nell’atmosfera salì velocemente fino a raggiungere forse centinaia di volte la
concentrazione attuale determinando un surriscaldamento del pianeta. Ci vollero
300 milioni di anni alla terra per raggiungere un nuovo equilibrio climatico e
fu questo nuovo equilibrio che produsse la quarta svolta innovativa. Circa 600
milioni di anni fa, senza nessuna consistente documentazione fossile
intermedia, i reperti fossili, come d’incanto, mostrano la presenza di
organismi pluricellulari simili a piccoli animali, i nostri più prossimi
progenitori.
Ma
questa è ancora un’altra storia.
Giovanni Occhipinti
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