LA VITA, LE ESTINZIONI DI MASSA, L'ANTROPOCENE (2a parte: gli eucarioti)

 

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

Prossimo articolo fine Febbraio

 

LIFE, MASS EXTINCTIONS, THE ANTHROPOCENE. (2nd part: eukaryotes)

 

Post n. 41 English

The history of the search for ancient microfossils originated at the beginning of the last century when the famous paleontologist C. D Walcott, of whom we will have occasion to speak later, hypothesized that very ancient rocks called stromatolites were sedimentary structures of biological origin.

The discovery by Elso S. Barghoorn, "I fossili più antichi" Le Scienze 1971, of ancient microorganisms fossilized in stromatolites of continental shields, initiated a large number of researches on fossil microorganisms worldwide. These researches involved not only stromatolites, but also other types of sedimentary rocks such as Sandstones, Siltstones, Shale, and carbonate rocks.

But what is the difference between stromatolites the sedimentary rocks?

Stromatolites are rocks produced from sediments of cyanobacteria, usually calcium carbonate. Gradually the original calcium carbonate is solubilized by water and replaced with silica, which over time becomes flint. Within the stromatolites are found microorganisms belonging to the same level of evolution: prokaryotes, unicellular organisms where the chromosome is a long chain spread throughout the cell.

Sedimentary rocks are produced by the disintegration of rocks by weathering, transported and deposited by water in the bottoms of lakes or seas. These rocks, during deposition, have imprisoned within them the habitat of the waters in which they poured. Therefore, within the sedimentary rocks are found fossils of microorganisms and organisms in different stages of evolution.

As we have seen the eukaryotic cell, from whose evolution we also descend, begins through endosymbiosis, a prokaryote swallowing another prokaryote. Probably at the same time a eukaryote acquired by endosymbiosis a cyanobacterium, giving rise to a new eukaryotic cell equipped with photosynthesis, called green algae, from whose evolution plants descend.  The eukaryotic cell is thus larger than prokaryotes, and its chromosome is contained in a distinct central nucleus. Incidentally, the theory of endosymbiosis, now widely accepted by scientists, does not fit the Darwinian, more precisely Neodarwinian, view of evolution by mutation and selection.

 

 

 

In ancient sedimentary rocks from 1.4 billion years ago, in addition to several fossils of microorganisms that can be traced back to prokaryotes, new fossils of microorganisms that do not resemble any prokaryotes have been found.

J. W. Schopf, one of the leading experts on the subject, had observed that the size of microfossils increased as geological age decreased. Schopf later came to determine that prokaryotes did not exceed 10 µm (micrometer) in diameter and only 2 specimens reached 60 µm.

Now, these new microfossils have an average diameter of 250 µm and the most recent of 3000 µm. They, initially classified as "Acritarchs" (of uncertain origin), were then identified as ancient cells of eukaryotes that, through successive evolutionary stages, became up to 10000 times larger than prokaryotes.

As Gonzalo Vidal reports, in "The First Eukaryotic Cells," The Sciences 1984. The earliest eukaryote fossils were found in the southern Urals and Montana and have been dated to about 1.4 billion years ago. Eukaryotes have been found in Argilloscists in Siltstones and Sandstones at various locations around the planet of all ages from 1.4 to 0.6 billion years ago and had to be certainly microorganisms that lived freely in the water, that is planktonic.

As usual, for the enormous temporal distance the dates must be considered approximate.

As reported in “Precambrian Research” February 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.

Recent findings of microfossils of eukaryotes in the Changcheng Formation in northern China and the Mallapunyah Formation northern Australia have been dated to 1,65 billion years ago. Schopf, moves the presence of eukaryotes to 1.8 billion years ago. Fossils traceable to eukaryotes have been found in rocks from that period in China, Russia, and Ukraine. However, most finds of eukaryotic microfossils are found around 1.5-1.4 billion years ago. We can take the date of 1,5 billion years ago as the certain date when there was an established presence of eukaryotes.

From the fossil record it seems ascertained that autotrophic eukaryotes, the green algae, had a rapid spread soon after their appearance, while heterotrophic eukaryotes, from which we also descend, had a faster growth about 0.8 billion years ago.

The dependence of eukaryotes on a certain oxygen content in the atmosphere and consequently a higher oxygen content in the oceans seems also established.

One of the ways in which reproduction occurs in eukaryotes is through mitosis. As Preston Cloud illustrates "La Biosfera", Le Scienze 1983: "Mitosis depends on the contractile properties of actomyosin, which cannot form in the absence of oxygen. Even the most advanced stages of the synthesis of sterols, fatty acids and collagen, a fibrous protein whose appearance leads to muscles and metazoans, depend on a sufficient level of oxygen".

We have already highlighted how 1.5 billion years ago the content of oxygen in the atmosphere, initially 1/1000 of the current reached, thanks to cyanobacteria, 1/100 of the current.

In conclusion, about 1,5 billion years ago, a substantial increase of oxygen in the atmosphere, has allowed life, after 2 billion years since its appearance, to make a huge evolutionary step: the appearance of eukaryotic cells, our ancestors.

As we pointed out in the previous article, four fundamental events have produced ground-breaking breakthroughs that have disrupted the course of events throughout the history of life. Without these breakthroughs, life on our planet would have remained at the stage of microorganisms. We have already mentioned the first: the aerobic photosynthesis of cyanobacteria. Well, the second one is the appearance of the eukaryotic cell because we are its descendants.

The development of eukaryotic cells had alternating phases. As reported again by J. W. Schopf, around 1.1 billion years there was a rapid growth of some genera of eukaryotes that, initially around a diameter of 1.5 mm, began to grow in size to exceed, around 900 million years ago, the diameter of 1 cm. It was during this period, according to Schopf, that evolution, after having devised photosynthesis by cyanobacteria that caused a revolution in the ecosystem for 2.5 billion years and gave rise to the eukaryotic cell, devised a new revolutionary invention: sexuality.

Eukaryotes use two ways to multiply: mitosis, which is a division of the same cell, a more complex cell division than in prokaryotes, and meiosis, which is the fusion of two cells that mix their genetic material and subsequently divide giving rise to a more rapid evolution. Schopf, in "La culla della vita" 2003, suggests that, 1.1 billion years ago, the rapid growth of eukaryotes, may be due to the invention of meiosis or, as is often said, sexuality. He highlights how: «In an asexual population ten mutations can produce eleven gene combinations (or genotypes-), the starting one plus the ten of the new mutants. Instead in a population of sexed organisms (assumed for simplicity genetically uniform, apart from the pairs of genes where one is normal and one is mutant), the same ten mutations can shuffle so as to produce 3¹⁰ genotypes (about 60000)». And further on, «The explosion of evolution, which began about 1.1 billion years ago, seems adequately explained by the advent of meiosis (the division of sex cells) and the spread of eukaryotic sexuality, "the urge to fuse." Meiosis, enhancement of the most primitive cell division of mitotic type, was already at work at least around 950 million years ago, approximately the age [...] of acritarchs provided with a wall with special pores ("pilomata") for the emission of reproductive cells and small marine algae (red algae) to sexual reproduction. Compared to asexual eukaryotes, sexual eukaryotes must have evolved much faster, and were soon enriched with many new types. Since such an explosion is found precisely in the fossil record of the period between 1.1 billion and 900 million years ago, the appearance of sexuality seems a sensible - and most likely correct - explanation of this bursting beginning of evolution, the -ascent- phase in a history of eukaryotes made of ups and downs».

It does not appear that this view has given rise to any objections or opposing views.

In conclusion, 3.5 billion years ago appeared the first innovative breakthrough that changed the course of events in the history of life, the aerobic photosynthesis of cyanobacteria; about 1,5 billion years ago appeared the second innovative breakthrough: eukaryotes, our ancestors; 1.1 billion years ago evolution produced the third fundamental breakthrough, sexuality, which defines the biochemical structure of offspring.

At the date of 900 million years ago, just at the height of their explosion, begins the decline of large eukaryotes until their total disappearance, giving way to smaller eukaryotes.

But what caused their decline?

All bodies, at any temperature, emit heat in the form of radiation, electromagnetic waves that fall in the invisible part of the spectrum, the infrared. These waves, therefore, we do not see them but we can perceive them, it is sufficient to approach sideways our hand to a hot body, for example radiator. The heat that hits our hand are infrared waves. Planets are hit by a wide range of electromagnetic waves from the sun, waves that fall mainly in the visible part of the spectrum, absorb them and heat up. Some of this heat is emitted into interplanetary space in the form of infrared waves. As a function of the energy from the sun hitting the planets and the energy emitted by the planets in the form of infrared, it is possible to calculate, in an approximate way, the average temperature of the planet. This temperature can then be compared with the temperatures actually observed through special equipment. Thus, it turns out that:

   Calculated temperature                                           Observed temperature

Mercury     527° Kelvin (254° Celsius)                 527° Kelvin (254° Celsius)

Mars           259° Kelvin (-19° Celsius)                 250° Kelvin (-23° Celsius)

Earth           246° Kelvin (-27° Celsius)                 290° Kelvin (+17° Celsius)

(source: Mario Ageno "Lezioni di Biofisica 2, 1984)

As you can see the earth has an observed temperature about 50 degrees higher than calculated, because the presence of the atmosphere causes a greenhouse effect. Ultimately, the earth's atmosphere allows incoming rays to pass through, which fall in the visible part of the spectrum. The heated earth emits waves that fall in the infrared part and the atmosphere in part rejects them and sends them back increasing the temperature of the planet. Technically, we say that the atmosphere is transparent in the visible and not very transparent in the infrared.

Earth's atmosphere is a mixture of gases, but the ones responsible for the greenhouse effect are primarily water vapor and to a much greater extent carbon dioxide or carbon dioxide, CO2. At an average temperature of 17° Celsius a certain equilibrium is reached between the incoming visible and the outgoing infrared, and the temperature remains constant. But this temperature remains constant if the composition of the gases composing the atmosphere remains constant, which is not at all obvious!

A global glaciation, referred to as Snowball Earth, that extended to near the equator began about 900 million years ago,

right around the time of the decline of the large eukaryotes and that, although with alternating phases of long periods of glaciation and periods of rapid warming, lasted for 300 million years. Both Schopf (work cited above) and Robert M. Hazen's "Breve storia della terra" 2017, agree that this glaciation was driven by a climate change caused by two factors. On the one hand, a decrease in atmospheric CO2 which, reacting with dissolved calcium in the oceans, has been trapped in the form of limestone. At the same time there appears to have been a strong growth of CO2-consuming cyanobacteria and green algae. Cyanobacteria and green algae were subsequently buried by coastal erosion and then removed from the recycling microorganisms that feed on the dead organisms they produce and put back into circulation CO₂.

According to Hazen, the strong growth of cyanobacteria and green algae was caused by the fracture, begun 900 million years ago, of the supercontinent Rodinia that at that time united all the landmasses. 

This fracture gave rise, slowly, to new oceanic coasts soon colonized by cyanobacteria and green algae. This fracture gave rise, slowly, to new oceanic coasts soon colonized by cyanobacteria and green algae. These microorganisms, consumers of CO₂, increased dramatically.  The strong reduction of CO₂ in the atmosphere has determined a thinning of the greenhouse effect, giving rise to climate change. The atmosphere, which became more transparent to the infrared, caused a drastic drop in temperature and resulted in a widening of the polar ice caps. The white ice, more and more extended, reflected sunlight to space accelerating the cooling of the planet. During the snowball earth phase, rather than mass extinctions it was all life that was in danger of extinction. Fortunately, the glaciers stopped near the equator. Microorganisms managed to survive in a slice of the planet around the equator and near volcanic fumaroles where temperate pools of water had been produced. The success of the cyanobacteria was the cause of their near disappearance.

How did the earth recover from this global winter?

Still according to Hazen it was volcanic gases, the main component of which is CO2, that warmed the planet. Since the planet was almost totally covered with ice, CO2 could not be removed as carbonate in the oceans. In addition, the consumption of CO2, by the greatly diminished cyanobacteria, was negligible. The concentration of this greenhouse gas in the atmosphere rose rapidly to perhaps hundreds of times its current concentration, causing global warming. It took the earth 300 million years to reach a new climatic equilibrium, and it was this new equilibrium that produced the fourth breakthrough. About 600 million years ago, without any consistent intermediate fossil record, the fossil record, as if by magic, shows the presence of multicellular organisms similar to small animals, our closest ancestors.

But that is yet another story.                                                                                                                                                    Giovanni Occhipinti

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