Scienze della Terra

Obiettivi della lezione

• Descrivere come i primi continenti si sono uniti.
• Capire cosa era necessario per la prima vita e i vari modi in cui può essere nata.
• Discutere l’atmosfera primitiva e come e perché l’ossigeno libero alla fine è aumentato.
• Conoscere le caratteristiche e i vantaggi degli organismi multicellulari.

Vocabolario

• aminoacido
• cratone
• cianobatteri
• eucarioti
• estinti
• pietra verde
• LUCA (ultimo antenato comune universale)
• metabolismo
• microbo
• microcontinente
• acido nucleico
• paleogeografia
• fotosintesi
• piattaforma
• prokaryote
• ipotesi del mondo RNA
• scudo
• stromatoliti
• supercontinente
• simbiotico

Introduzione

L’arco di tempo più lungo è l’Era Precambriana, che comprende il Proterozoico, l’Archeano e il Pre-Archeano (chiamato anche Adeano). Il Precambriano iniziò quando la Terra si formò e terminò all’inizio del periodo Cambriano, 570 milioni di anni fa. Gli eventi raccontati nella sezione precedente facevano tutti parte della prima storia della Terra, l’Adeano. Ma c’era ancora molto di più nell’Era Precambriana. I principi geologici spiegati nei capitoli precedenti di questo libro si applicano alla comprensione della storia geologica di questi tempi antichi (Figura sotto).

I primi continenti

La prima crosta era fatta di roccia basaltica, come l’attuale crosta oceanica. La fusione parziale della parte inferiore della crosta basaltica iniziò più di 4 miliardi di anni fa. Questo creò la crosta ricca di silice che divenne i continenti felsici.

Cratoni e scudi

La prima crosta continentale felsica si trova ora negli antichi nuclei dei continenti, chiamati cratoni. I rapidi movimenti delle placche hanno fatto sì che i cratoni abbiano subito molte collisioni continentali. Si sa poco della paleogeografia, o della geografia antica, del primo pianeta, anche se i continenti più piccoli potrebbero essersi uniti e disgregati.

Il luogo in cui il cratone si estende in superficie è noto come scudo. I cratoni risalgono al Precambriano e sono chiamati scudi precambriani. Molti scudi precambriani hanno circa 570 milioni di anni (figura sotto).

I geologi possono imparare molte cose sul Pre-Archeano studiando le rocce dei cratoni.

• I cratoni contengono anche rocce ignee felsiche, che sono resti dei primi continenti.
• Le rocce cratoniche contengono grani sedimentari arrotondati. Che importanza ha questo fatto? I grani arrotondati indicano che i minerali sono stati erosi da un tipo di roccia precedente e che esistevano anche fiumi o mari.
• Un tipo di roccia comune nei cratoni è la pietra verde, una roccia vulcanica metamorfosata (figura sotto). Poiché le pietre verdi si trovano oggi nelle fosse oceaniche, cosa significa la presenza di pietre verdi? Queste antiche pietre verdi indicano la presenza di zone di subduzione.

Durante il Pre-Archeano e l’Archeano, l’interno della Terra era più caldo di oggi. La convezione del mantello era più veloce e i processi di tettonica a placche erano più vigorosi. Poiché le zone di subduzione erano più comuni, le prime placche crostali erano relativamente piccole.

Nella maggior parte dei luoghi i cratoni erano coperti da rocce più giovani, che insieme sono chiamate una piattaforma. A volte le rocce più giovani sono state erose per esporre il cratere precambriano (figura sotto).

Dal momento in cui era completamente fuso, la Terra si è raffreddata. Tuttavia, circa la metà del calore interno generato quando la Terra si è formata rimane nel pianeta ed è la fonte del calore nel nucleo e nel mantello oggi.

Tettonica a placche precambriana

Per la fine dell’Archeano, circa 2,5 miliardi di anni fa, i processi di tettonica a placche erano completamente riconoscibili. Piccoli continenti del Proterozoico, noti come microcontinenti, si scontrarono per creare supercontinenti, il che portò al sollevamento di imponenti catene montuose.

La storia del cratone nordamericano è un esempio di ciò che generalmente accadde ai cratoni durante il Precambriano. Mentre il cratone andava alla deriva, si scontrava con microcontinenti e archi insulari oceanici, che si aggiungevano ai continenti. La convergenza fu particolarmente attiva tra 1,5 e 1,0 miliardi di anni fa. Queste terre si unirono per creare il continente di Laurentia.

Circa 1,1 miliardi di anni fa, Laurentia divenne parte del supercontinente Rodinia (Figura sotto). Rodinia conteneva probabilmente tutta la massa terrestre di allora, che era circa il 75% della massa continentale presente oggi.

Rodinia si ruppe circa 750 milioni di anni fa. L’evidenza geologica di questa rottura include grandi colate di lava che si trovano dove il rifting continentale ha avuto luogo. La diffusione dei fondali marini alla fine iniziò e creò gli oceani tra i continenti.

La rottura della Rodinia potrebbe aver innescato la Terra a palla di neve circa 700 milioni di anni fa. La Terra a palla di neve è l’ipotesi che gran parte del pianeta fosse coperta dal ghiaccio alla fine del Precambriano. Quando il ghiaccio si è sciolto e il pianeta è diventato abitabile, la vita si è evoluta rapidamente. Questo spiega la rapida evoluzione della vita nei periodi Ediacarano e Cambriano.

Questo video esplora l’origine dei continenti e la prima tettonica a placche sulla giovane Terra (1c): http://www.youtube.com/watch?v=QDqskltCixA (5:17).

La presenza di acqua sulla Terra antica è rivelata in un cristallo di zircone (1c): http://www.youtube.com/watch?v=V21hFmZP5zM (3:13).

L’origine della vita

Nessuno sa come o quando la vita è iniziata sulla turbolenta Terra primitiva. Ci sono poche prove concrete di così tanto tempo fa. Gli scienziati pensano che sia estremamente probabile che la vita sia iniziata e sia stata spazzata via più di una volta; per esempio, dall’impatto che ha creato la Luna.

Per cercare informazioni sull’origine della vita, gli scienziati:

• eseguono esperimenti per ricreare le condizioni ambientali trovate a quel tempo.
• studiare le creature viventi che si stabiliscono nei tipi di ambienti estremi che erano tipici dei primi tempi della Terra.
• cercare tracce di vita lasciate da antichi microrganismi, chiamati anche microbi, come caratteristiche microscopiche o rapporti isotopici indicativi della vita. Eventuali tracce di vita di questo periodo di tempo sono così antiche che è difficile essere certi se abbiano avuto origine con mezzi biologici o non biologici.

Cosa deve essere e fare una molecola per essere considerata viva? La molecola deve:

• essere organica. Le molecole organiche necessarie sono gli aminoacidi, i mattoni della vita.
• avere un metabolismo.
• essere in grado di replicarsi (essere in grado di riprodursi).

Aminoacidi

Gli aminoacidi sono i mattoni della vita perché creano le proteine. Per formare le proteine, gli amminoacidi sono legati insieme da legami covalenti per formare polimeri chiamati catene polipeptidiche (Figura sotto).

Queste catene sono disposte in un ordine specifico per formare ogni diverso tipo di proteine. Le proteine sono la classe più abbondante di molecole biologiche. Una domanda importante per gli scienziati è da dove sono venuti i primi aminoacidi: sono nati sulla Terra o sono arrivati dallo spazio? Indipendentemente dalla loro origine, la creazione degli aminoacidi richiede i giusti materiali di partenza e un po’ di energia.

Per vedere se gli aminoacidi potevano avere origine nell’ambiente che si pensava fosse presente nei primi anni dell’esistenza della Terra, Stanley Miller e Harold Urey eseguirono un famoso esperimento nel 1953 (Figura sotto). Per simulare l’atmosfera primordiale misero idrogeno, metano e ammoniaca in un pallone di acqua riscaldata che creava vapore acqueo, che chiamarono brodo primordiale. Le scintille simulavano i fulmini, che gli scienziati pensavano potessero essere l’energia che guidava le reazioni chimiche che creavano gli aminoacidi. Ha funzionato! I gas si combinarono per formare composti organici solubili in acqua, compresi gli aminoacidi.

Una drammatica rievocazione di questo esperimento viene eseguita in questo video del programma TV Cosmos del 1980: http://www.youtube.com/watch?v=yet1xkAv_HY. Alla fine si può conoscere il possibile ruolo dell’RNA.

Gli amminoacidi potrebbero anche aver avuto origine in bocche idrotermali o nelle profondità della crosta dove il calore interno della Terra è la fonte di energia. I meteoriti contenenti amminoacidi entrano attualmente nel sistema terrestre e quindi i meteoriti potrebbero aver portato gli amminoacidi sul pianeta da altre parti del sistema solare (dove si sarebbero formati con processi simili a quelli qui descritti).

Metabolismo

Le molecole organiche devono anche svolgere il lavoro chimico delle cellule, cioè il loro metabolismo. Le reazioni chimiche in un organismo vivente permettono a quell’organismo di vivere nel suo ambiente, crescere e riprodursi. Il metabolismo ottiene energia da altre fonti e crea le strutture necessarie alle cellule. Le reazioni chimiche avvengono in una sequenza di passi noti come percorsi metabolici. Le vie metaboliche sono molto simili tra i batteri unicellulari che esistono da miliardi di anni e le forme di vita più complesse sulla Terra oggi. Questo significa che si sono evoluti molto presto nella storia della Terra.

Replicazione

Le cellule viventi hanno bisogno di molecole organiche, note come acidi nucleici, per conservare le informazioni genetiche e passarle alla generazione successiva. L’acido desossiribonucleico (DNA) è l’acido nucleico che trasporta le informazioni per quasi tutte le cellule viventi oggi e lo ha fatto per la maggior parte della storia della Terra. L’acido ribonucleico (RNA) trasmette le istruzioni genetiche al punto della cellula in cui vengono sintetizzate le proteine.

La famosa struttura a doppia elica del DNA si vede in questa animazione: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/81/ADN_animation.gif.

Molti scienziati pensano che l’RNA sia stato il primo replicatore. Poiché l’RNA catalizza la sintesi delle proteine, la maggior parte degli scienziati pensa che l’RNA sia venuto prima delle proteine. L’RNA può anche codificare istruzioni genetiche e portarle alle cellule figlie, come il DNA.

L’idea che l’RNA sia la molecola organica più primitiva è chiamata ipotesi del mondo RNA, riferendosi alla possibilità che l’RNA sia più antico del DNA. L’RNA può trasmettere istruzioni genetiche come il DNA, e alcuni RNA possono effettuare reazioni chimiche come le proteine.

Un video che spiega l’ipotesi del mondo RNA è visibile qui: http://www.youtube.com/watch?v=sAkgb3yNgqg. Pezzi di molti scenari possono essere messi insieme per arrivare ad un suggerimento plausibile su come la vita ha avuto inizio.

Le cellule semplici si evolvono

Molecole organiche semplici come proteine e acidi nucleici alla fine sono diventate sostanze organiche complesse. Gli scienziati pensano che le molecole organiche abbiano aderito a minerali di argilla, che hanno fornito la struttura necessaria a queste sostanze per organizzarsi. Le argille, insieme ai loro cationi metallici, hanno catalizzato le reazioni chimiche che hanno portato le molecole a formare polimeri. Anche i primi frammenti di RNA potrebbero essersi uniti su antiche argille.

Perché una molecola organica diventi una cellula, deve essere in grado di separarsi dal suo ambiente. Per racchiudere la molecola, una membrana lipidica cresceva intorno al materiale organico. Alla fine le molecole potevano sintetizzare il proprio materiale organico e replicarsi. Queste divennero le prime cellule.

Le prime cellule erano procarioti (figura sopra). Anche se i procarioti hanno una membrana cellulare, mancano di un nucleo cellulare e di altri organelli. Senza un nucleo, l’RNA era sciolto all’interno della cellula. Col tempo le cellule sono diventate più complesse.

Le prove dei batteri, le prime forme di vita unicellulari, risalgono a 3,5 miliardi di anni fa (figura sopra).

Finalmente la vita ha cominciato a diversificarsi da queste cellule estremamente semplici. L’ultima forma di vita che è stata l’antenata di tutta la vita che è venuta dopo è chiamata LUCA, che sta per Last Universal Common Ancestor. LUCA era un procariote ma differiva dalle prime cellule viventi perché il suo codice genetico era basato sul DNA. LUCA visse da 3,5 a 3,8 miliardi di anni fa. I fossili più antichi sono piccoli oggetti simili a microbi che hanno 3,5 miliardi di anni.

Fotosintesi e il cambiamento dell’atmosfera

Senza la fotosintesi cosa mangiavano le prime cellule? Molto probabilmente assorbivano i nutrienti che galleggiavano nel brodo organico che le circondava. Dopo centinaia di milioni di anni, questi nutrienti sarebbero diventati meno abbondanti.

Quasi 3 miliardi di anni fa (circa 1,5 miliardi di anni dopo la formazione della Terra!), è iniziata la fotosintesi. La fotosintesi permetteva agli organismi di usare la luce del sole e molecole inorganiche, come l’anidride carbonica e l’acqua, per creare energia chimica che potevano usare per il cibo. Per fotosintetizzare, una cellula ha bisogno dei cloroplasti (Figura sotto).

In quali due modi la fotosintesi ha reso il pianeta molto più favorevole alla vita?

1. La fotosintesi permetteva agli organismi di creare energia alimentare, in modo da non dover dipendere dai nutrienti che galleggiavano nell’ambiente. Gli organismi fotosintetici potevano anche diventare cibo per altri organismi.

2. Un sottoprodotto della fotosintesi è l’ossigeno. Quando la fotosintesi si è evoluta, improvvisamente l’ossigeno era presente in grandi quantità nell’atmosfera. Per gli organismi abituati ad un ambiente anaerobico, il gas era tossico e molti organismi morirono.

La terza atmosfera della Terra

L’aggiunta di ossigeno è ciò che ha creato la terza atmosfera terrestre. Questo evento, avvenuto circa 2,5 miliardi di anni fa, è talvolta chiamato la catastrofe dell’ossigeno perché molti organismi morirono. Anche se molte specie morirono e si estinsero, questo evento è anche chiamato il Grande Evento di Ossigenazione perché fu una grande opportunità. Gli organismi che sopravvissero svilupparono un uso dell’ossigeno attraverso la respirazione cellulare, il processo con cui le cellule possono ottenere energia dalle molecole organiche.

Quali prove hanno gli scienziati che grandi quantità di ossigeno sono entrate nell’atmosfera? Il ferro contenuto nelle rocce si è combinato con l’ossigeno per formare ossidi di ferro rossastri. All’inizio del Proterozoico, si stavano formando formazioni di ferro a bande (BIF). I BIF più antichi hanno 3,7 miliardi di anni, ma sono molto comuni durante il Grande Evento di Ossigenazione di 2,4 miliardi di anni fa (Figura sotto). Entro 1,8 miliardi di anni fa, la quantità di BIF è diminuita. In tempi recenti, il ferro in queste formazioni è stato estratto, e questo spiega la localizzazione dell’industria automobilistica nell’alto Midwest.

Con più ossigeno nell’atmosfera, la radiazione ultravioletta potrebbe creare ozono. Con la formazione di uno strato di ozono per proteggere la superficie della Terra dalle radiazioni UV, si sono potute evolvere forme di vita più complesse.

I primi organismi

Quali furono questi organismi che cambiarono completamente la progressione della vita sulla Terra cambiando l’atmosfera da anaerobica ad aerobica? I più antichi fossili conosciuti che provengono da organismi noti per la fotosintesi sono i cianobatteri (figura sotto). I cianobatteri erano presenti da 2,8 miliardi di anni fa, e alcuni potrebbero essere stati presenti già da 3,5 miliardi di anni fa.

I cianobatteri moderni sono chiamati anche alghe blu-verdi. Questi organismi possono essere costituiti da una o più cellule e si trovano in molti ambienti diversi (figura sotto). Ancora oggi i cianobatteri rappresentano dal 20% al 30% della fotosintesi sulla Terra.

I cianobatteri erano le forme di vita dominanti nell’Archeano. Perché una forma di vita così primitiva sarebbe stata dominante nel Precambriano? Molti cianobatteri vivevano in strutture simili alla barriera corallina note come stromatoliti (figura sotto). Gli stromatoliti continuarono nel Cambriano, ma il loro numero diminuì.

Eucarioti

Circa 2 miliardi di anni fa, gli eucarioti si svilupparono. Le cellule eucariotiche hanno un nucleo che racchiude il loro DNA e RNA. Tutte le cellule complesse e quasi tutti gli animali pluricellulari sono eucarioti.

L’evoluzione degli eucarioti dai procarioti è un argomento interessante nello studio della vita antica. Gli scienziati pensano che le piccole cellule procariotiche iniziarono a vivere insieme in una relazione simbiotica; cioè, diversi tipi di piccole cellule erano benefiche l’una per l’altra e nessuna danneggiava l’altra. I piccoli tipi di cellule assunsero ciascuno una funzione specializzata e divennero gli organelli all’interno di una cellula più grande. Gli organelli fornivano energia, scomponevano i rifiuti o facevano altri lavori che erano necessari alle cellule per diventare più complesse.

Quello che si pensa sia il più antico fossile eucariota trovato finora ha 2,1 miliardi di anni. Le cellule eucariotiche erano molto più capaci di vivere e replicarsi, così hanno continuato ad evolversi e sono diventate la forma di vita dominante rispetto alle cellule procariotiche.

La vita multicellulare

I procarioti e gli eucarioti possono essere entrambi multicellulari. I primi organismi pluricellulari furono probabilmente cianobatteri procarioti. La multicellularità può essersi evoluta più di una volta nella storia della vita, probabilmente almeno una volta per le piante e una volta per gli animali.

I primi organismi multicellulari erano a corpo molle e non si sono fossilizzati bene, quindi poco rimane della loro esistenza. Gli organismi multicellulari saranno discussi nella lezione Storia delle forme di vita complesse della Terra.

Riassunto della lezione

• Dopo l’inizio della fusione parziale della crosta basaltica originale, le rocce ricche di silice formarono la prima crosta continentale.
• La più antica crosta felsica continentale si trova nei cratoni. Un cratone che si trova in superficie è uno scudo; un cratone coperto di sedimenti è una piattaforma.
• Le rocce precambriane aiutano gli scienziati a mettere insieme la geologia di quel periodo.
• I continenti si sono formati quando i cratoni si sono scontrati con microcontinenti e archi insulari per formare grandi continenti.
• Rodinia era un supercontinente composto da Laurentia e altri continenti.
• La Terra a palla di neve potrebbe essersi verificata durante il tardo Precambriano e la sua fine potrebbe aver portato all’esplosione delle forme di vita che si svilupparono durante l’Ediacarano e il Cambriano.
• Gli aminoacidi erano essenziali per l’origine della vita. Si collegano insieme per formare le proteine.
• L’RNA potrebbe essere stato il primo e unico acido nucleico all’inizio della vita.
• Una cellula ha bisogno di un modo per replicarsi, un metabolismo e un modo per separarsi dal suo ambiente.
• Un’atmosfera che contiene ossigeno è importante a causa dello strato di ozono e della respirazione cellulare.
• Gli organismi multicellulari si sono evoluti molto dopo l’evoluzione dei procarioti e potrebbero essersi evoluti più di una volta.

Domande di ripasso

1. Qual è la differenza tra cratone, scudo e piattaforma?
2. Se una roccia contiene grani arrotondati di sedimenti, cosa si può dire di quella roccia?
3. Cosa indica una pietra verde sull’ambiente tettonico a placche in cui si è formata?
4. Cosa è successo a tutto il calore che la Terra aveva quando si è formata?
5. Cos’era la Laurentia e di quali terre era composta? Cosa le è successo?
7. Come era Rodinia come Pangea?
9. Quali erano le possibili fonti di aminoacidi sulla Terra antica?
11. Qual era il significato dell’esperimento Miller-Urey?
13. Cos’è l’ipotesi del mondo RNA e perché si chiama così?
15. Qual è la differenza tra procarioti ed eucarioti?
17. Cos’era LUCA? La LUCA è ancora viva?
19. Perché sono importanti le formazioni di ferro a bande?
21. Perché erano importanti i cianobatteri nella Terra primitiva?
23. Come si pensa abbiano avuto origine gli eucarioti?

Altre letture / Link integrativi

• Leggi il materiale più antico ancora trovato nel sistema solare: http://news.nationalgeographic.com/news/2010/08/100823-oldest-solar-system-two-million-years-older-science/.

Punti da considerare

• Come sarebbe la vita sulla Terra se non ci fosse ossigeno libero?
• Perché ci è voluto così tanto tempo per l’evoluzione degli eucarioti o degli organismi multicellulari?
• Come ha influito l’evoluzione della vita sulle parti non biologiche del pianeta?