La comparsa e la diversificazione degli animali è sicuramente legata a cambiamenti a livello genetico e/o allo sviluppo di innovazioni indipendenti, ma che ruolo ha giocato in tutto ciò la presenza/assenza di ossigeno ambientale? I dati messi in luce da uno studio americano e canadese, pubblicato su Science, mostrano che l’ossigenazione della superficie terrestre ha rivestito un ruolo chiave nell’alterazione dei cicli biogeochimici globali alla fine del Proterozoico (da 1,8 a 0,8 miliardi di anni fa) favorendo, di conseguenza, l’aumento dei metazoi. 

Partendo dall’analisi di sedimenti del Proteporozoico provenienti da Cina (Chuanlinggou Formation), Australia (Sherwin Formation), Stati Uniti (Freedom Formation) e Canada (Aok Formation), gli scienziati hanno stimato livelli di ossigeno atmosferico pari allo 0,1% rispetto a quelli attuali. Questi campioni sono stati prelevati in zone vicine alla costa e ricche di ferro, scelti da ambienti deposizionali simili a quelli del Fanerozoico (circa 542 milioni di anni fa). Campioni risalenti a quest’ultimo periodo sono stati analizzati per confronto con una condizione sicuramente ben ossigenata. Per ottenere la stima citata, gli autori hanno studiato gli isotopi del cromo, elemento che è inizialmente presente nella crosta terrestre nella sua forma ridotta Cr( III) poiché assorbito durante la sedimentazione di ossidi ferrici precursori in minerali formatisi in condizioni riducenti. Il cromo, come molti altri elementi, possiede isotopi stabili, ovvero isotopi non radioattivi o con tempi di emivita talmente lunghi da poter essere calcolati. Per definizione, gli isotopi di un elemento hanno massa diversa dovuta al diverso numero di neutroni; differenza che permette di calcolare il rapporto tra gli isotopi pesanti e quelli leggeri. Nel caso del cromo, il rapporto viene calcolato tra gli isotopi 53 e 52 (53Cr/52Cr) e le fluttuazioni nel rapporto sono un buon indicatore dei processi biochimici ambientali. Il suddetto rapporto è stato scelto dagli autori perché varia, tendendo a valori più positivi durante le reazioni redox e, nel contesto studiato, valori maggiormente positivi del 53Cr/52Cr sono indici di presenza di ossigeno ambientale.

I risultati mostrano valori di 53Cr/52Cr indistinguibili da quelli delle sorgenti ignee, per tutti i minerali ferrosi del Proterozoico esaminati, in contrasto con l’intervallo determinato da valori molto più positivi per i minerali ferrosi del Fanerozoico. A completezza del dato, gli autori hanno determinato i valori di 53Cr/52Cr negli scisti del Fanerozoico, del basso Proterozoico e della metà del Proterozoico. In accordo con i dati ricavati dai minerali ferrosi, le analisi sugli scisti del Fanerozoico e del tardo Proterozoico mostrano grandi arricchimenti, quindi un aumento nei valori di 53Cr/52Cr. L’aumento nell’arricchimento del cromo negli scisti risalenti a 800-750 milioni di anni fa indicano attività ossidativa ed ha portato gli autori a supporre che vi fosse un ciclo ossidativo in corso. Combinando i risultati ottenuti, gli studiosi hanno identificato quindi un cambiamento nel ciclo biogeochimico del cromo risalente a circa 750 milioni di anni fa riconducibile ad un aumento della concentrazione dell’ossigeno ambientale. 

Con l’intento di quantificare la concentrazione minima di ossigeno presente in questo periodo, gli studiosi hanno costruito un modello cinetico con i dati  raccolti dai campioni analizzati che ha restituito come risultato una situazione con livelli di ossigeno ambientale marcatamente bassi (<1% PAL; PAL=Present Atmospheric Level) nel Proterozoico. 

Nel complesso, i risultati dello studio suggeriscono una sovrapposizione temporale tra la comparsa di ambienti stabili e favorevoli per la vita degli animali e le cladi basali di metazoi che, secondo stime recenti si è verificato circa 800-700 milioni di anni fa. Sebbene la loro nascita e il loro ruolo dominante nell’ecologia animale sono sicuramente legati a fattori genetici ed innovazioni di sviluppo, i risultati ottenuti mostrano che il ciclo dell’ossigeno terrestre è stato un fattore cruciale nella tardiva comparsa degli animali. 

Riferimento bibliografico: 

N.J. Planavsky, C. T. Reinhard, X. Wang, D. Thomson, P. McGoldrick, R.H. Rainbird, T. Johnson, W.W. Fischer, T.W. Lyons (2014). Low Mid-Preterozoic atmospheric oxygen levels and the delayed rise of animals. Science, vol. 346, issue: 6209.