1 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE ANNO ACCADEMICO.

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1 1 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE ANNO ACCADEMICO 2012-2013 GEOSCIENZE LEZIONE 8 * - ORIGINE DELLA VITA - BIOSFERA - L’IPOTESI DI GAIA * Icone, grafici e foto provengono da varie fonti. Si ringraziano i relativi Autori ed Editori.

2 2 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE ANNO ACCADEMICO 2012-2013 GEOSCIENZE INTRODUZIONE - INTRODUZIONE - PARTE PRIMA. TELLUS, LA TERRA E LO SPAZIO - PARTE PRIMA. TELLUS, LA TERRA E LO SPAZIO -PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA - ORIGINE DELLA VITA - BIOSFERA - L’IPOTESI DI GAIA - PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE - PARTE TERZA. GEA, LA TERRA E IL SUO DIVENIRE - ASPETTI DELLA TERRA FLUIDA - ASPETTI DELLA TERRA FLUIDA - ASPETTI DELLA TERRA SOLIDA - ASPETTI DELLA TERRA SOLIDA - PARTE QUARTA. ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - PARTE QUARTA. ESERCITAZIONI DI LABORATORIO - PARTE QUINTA. ESCURSIONI SUL TERRENO - PARTE QUINTA. ESCURSIONI SUL TERRENO

3 3 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. ORIGINE DELLA VITA LE ORIGINI DELLA VITA Nella composizione degli esseri viventi entrano alcuni tra elementi più abbondanti dell’Universo: H, idrogeno; C, carbonio; N azoto; O, ossigeno. D’altra parte tra un essere vivente, sia esso pianta o animale e un oggetto non vivente quale una roccia non esistono sostanziali differenze dal punto di vista chimico. Dobbiamo quindi trovare delle caratteristiche che li differenziano. Capacità di riprodursi, capacità di crescere, capacità di respirare potrebbero essere prese in considerazione ma, riflettendoci, sono caratteristiche riscontrabili oltre che negli esseri viventi (organismi biologici) anche nei materiali non viventi (composti abiologici); i virus peraltro, che sono l’anticamera della vita, non le posseggono. E’ abbastanza sorprendente rilevare che le difficoltà che incontriamo per risalire alle origini dell’Universo e della materia, le riscontriamo, ancor più, anche per risalire alle origini della vita. E’ il nostro limite, il limite delle conoscenze e dell’analisi scientifica. Maggiore spazio trovano in questo campo le dottrine religiose e anche le speculazioni filosofiche che non seguono il percorso della ricerca analitica ma si basano sull’accettazione dogmatica di verità o di postulati. VIRUS

4 4 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. ORIGINE DELLA VITA Origini della vita, segue Al di là della spiegazione soprannaturale dell’origine della vita come ci viene tramandata dai libri della Genesi o da altre tradizioni, restano dunque solo ipotesi come quella lasciataci dai filosofi greci che credevano nella generazione spontanea (abiogenesi) salvo chiedersi con Aristotele: che cosa è la vita? Nel XIX° secolo Louis Pasteur enunciava che tutti gli esseri viventi venivano generati da organismi preesistenti e, mentre Svante Arrhenius più recentemente (XX° sec.) avanzava l’ipotesi dell’origine extraterrestre della vita oggi sostenuta da numerosi astronomi, con Charles Darwin nel XIX° sec. si giunse alla determinazione che con ogni probabilità essa ebbe inizio nel brodo caldo della Terra primitiva. L’oceano primordiale si formò quando la temperatura superficiale della Terra scese al di sotto del punto di ebollizione dell’acqua. I grandi ammassi di nuvole che avvolgevano interamente il giovane pianeta, iniziarono a riversare per millenni acqua nelle valli e nei bacini depressi della Terra. Acqua ancora calda che a contatto con le rocce appena consolidate del pianeta vi esercitava un’ intensa azione chimica di alterazione, dissoluzione e idrolisi. Con l’accumulo di questa acqua primordiale nelle depressioni del pianeta si formò l’oceano primordiale. Rappresentazione di fantasia dell’oceano primordiale

5 5 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA Sarebbe stata l’evoluzione chimica del nostro pianeta a originare le prime forme di vita attraverso meccanismi a noi sconosciuti e solo in qualche modo ipotizzabili. L’energia necessaria all’attivazione della vita sarebbe stata fornita da scariche elettriche di grande potenza che certamente animavano la pesante e riducente atmosfera primordiale dando luogo alla sintesi di molecole organiche complesse e di sostanze prebiotiche che sono presenti nelle proteine e negli acidi nucleici. Questo scenario è stato ipotizzato da Oparin e riprodotto in laboratorio da Miller. Dopo essersi formate nella protoatmosfera terrestre le sostanze prebiotiche si sarebbero dissolte negli oceani primordiali dando origine al ‘brodo primordiale’, all’inizio poco concentrato. Origine della vita secondo Oparin MILLER MODELLO DI OPARIN OPARIN PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. ORIGINE DELLA VITA

6 6 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. ORIGINE DELLA VITA Gli esperimenti di Miller e Urey partivano da composti semplici che si ritenevano abbondanti nell’atmosfera primitiva. Dopo un certo numero di scariche si formavano acido cianidrico e aldeidi. Aumentando le scariche si producevano molecole più complesse tra cui gli amminoacidi riportati nel grafico a fianco. Esperimento di Miller e Urey

7 7 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. ORIGINE DELLA VITA Origini della vita, segue In seguito, con la progressiva concentrazione del brodo primitivo, la sostanza prebiotica si sarebbe aggregata, attraverso un meccanismo sconosciuto, in proteine e acidi nucleici. Il passaggio intermedio dovrebbe essere stato assicurato dai cosiddetti coacervati, goccioline ricche di sostanze prebiotiche e dotate di una membrana che ha la capacità di assorbire sostanze disciolte nella soluzione circostante e poi dividersi in goccioline più piccole. Formazione di un coacervato: le particelle di acqua (pa) si addensano attorno ad una particella proteica (pp) formandovi di uno strato di acqua (sa). Le particelle proteiche finiscono per riunirsi catturando altre molecole fino a formare un coacervato complesso (co), una sorta di soluzione colloidale a differente concentrazione con membrana semipermeabile. COACERVATI PP PA SA PA CO

8 8 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. ORIGINE DELLA VITA Origini della vita, segue Attraverso un meccanismo simile si sarebbe potuta originare la prima cellula. Questo meccanismo doveva essersi verificato necessariamente all’interno del protoceano perchè le radiazioni ultraviolette, molto attive nell’atmosfera, ne avrebbero impedito la sintesi. Nella realtà, sono gli enzimi, prodotti in presenza di acidi nucleici, che favoriscono la formazione delle molecole organiche fondamentali negli organismi viventi. A questo punto ci si pone il grande interrogativo: considerato che enzimi e acidi nucleici sono strettamente interdipendenti nei processi vitali, quale delle due sostanze si è originata prima? Se ammettiamo che a un certo punto si sono formati gli acidi nucleici che avviano tutti i processi vitali della cellula, come si erano formati gli enzimi? Ma gli acidi nucleici sono materia organica che si formano grazie agli enzimi.. Si giunge così sorprendentemente ad un interrogativo analogo a quello che ci si pone sull’origine dell’Universo. La materia stellare e interstellare si sarebbe originata da un Big Bang. Ma cosa c’era nell’istante prima del Big Bang? IPOTESI DI WACHTERHAUSER Il biologo tedesco Wachterhauser sostiene che l’energia necessaria per l’evoluzione chimica delle prime forme di vita sarebbe stata fornita nel corso del processo di trasformazione pirite- ematite con liberazione di idrogeno, carburante delle prime tappe dell’evoluzione biologica.

9 9 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. ORIGINE DELLA VITA Due biologi americani, Cech e Altman, premi Nobel per la medicina 1989 dimostrarono che molecole di RNA potevano promuovere reazioni chimiche autonome senza l’intervento di enzimi proteici. Tali funzioni, paragonabili all’azione degli enzimi, potrebbero essere la testimonianza di un primitivo mondo con organismi a RNA dai quali si sarebbe successivamente evoluto il mondo conosciuto a DNA e proteine, rispettivamente con funzioni genetiche e metaboliche. LE PRIME CATENE DI RNA Nell’immagine a fianco viene mostrato come in un protozoo l’ RNA (acido ribonucleico) possa eliminare una sua parte ‘non necessaria’ senza l’aiuto di proteine. Secondo alcuni studiosi questo fa pensare che semplici catene di RNA potrebbero aver costituito i primi esseri viventi della Terra. Origini della vita, segue

10 10 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. ORIGINE DELLA VITA Origine della vita, segue L’ipotesi dell’origine della vita dal brodo caldo primordiale possiede dei limiti e non viene da tutti accettata per mancanza di prove dirette tra cui la certezza che un brodo primordiale sia veramente esistito. Un’altra ipotesi, poco sostenuta, prevede che molecole giganti si sarebbero formate sulla superficie calda e secca della Terra e trasportate dalle piogge fino al mare dove si sarebbero accumulate sotto forma di globuli cavi detti microsfere. D’altra parte anche l’ipotesi di un’origine extraterrestre di molecole organiche complesse sintetizzatesi dopo il Big Bang o dall’esplosione di supernove e trasportate da comete e frammenti meteorici è piuttosto lontana da una meditata accettazione. Resta dunque ancora aperto l’interrogativo sull’origine della vita aperto da Aristotele nel IV° secolo a.C.. A: sistema idrotermale con condotto di uscita sul fondo marino. B: fango lagunare comunicante con l’acqua sovrastante. C: In questi ambienti l’ RNA ha forse acquisito la capacità di trasmettere informazioni staccando parti da una sua molecola mediante reazioni biochimiche. Microsfere Possibili luoghi di crescita della vita primitiva

11 11 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. ORIGINE DELLA VITA LE POSSIBILI TAPPE DELL’ORIGINE DELLA TERRA E DELLA VITA

12 12 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. ORIGINE DELLA VITA LE POSSIBILI TAPPE DELL’ORIGINE DELLA TERRA E DELLA VITA (FORSE)

13 13 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. ORIGINE DELLA VITA LE POSSIBILI TAPPE DELL’ORIGINE DELLA TERRA E DELLA VITA

14 14 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. ORIGINE DELLA VITA LE POSSIBILI TAPPE DELL’ORIGINE DELLA TERRA E DELLA VITA

15 15 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. ORIGINE DELLA VITA LE POSSIBILI TAPPE DELL’ORIGINE DELLA TERRA E DELLA VITA. EVOLUZIONE DELL’ATMOSFERA A: la Terra avvolta dai gas primordiali poi dispersisi nello spazio. B: esalazioni gassose provenienti dalla crosta semifusa. C: degassamento attraverso le grandi eruzioni vulcaniche. D: produzione di ossigeno da parte delle piante. E: l’ossigeno raggiunge progressivamente la concentrazione odierna a partire da almeno 600 milioni di anni fa.

16 16 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA LA BIOSFERA La BIOSFERA costituisce la parte più esterna della sfera terrestre ed è caratterizzata dalla presenza di organismi viventi. Include la parte più bassa dell’atmosfera, tutta l’idrosfera (soprassuolo), il suolo terrestre, cioè la superficie terrestre, e una parte di sottosuolo, cioè una parte di litosfera fino alla profondità di circa 2 km dove sono stati rinvenuti Batteri associati a giacimenti petroliferi e, più superficialmente, associati ad acque e situazioni idrotermali. La BIOSFERA può essere suddivisa in unità d’area caratterizzate da condizioni climatiche e ambientali uniformi in cui si sono adattati a vivere tipi di animali e piante che, insieme, costituiscono i BIOMI. Questi, a loro volta, possono essere suddivisi in unità minori definite ECOSISTEMI. Limiti della biosfera Le regioni della biosfera

17 17 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA Vegetazione spontanea sulla superficie terrestre.

18 18 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA I maggiori biomi delle terre emerse.

19 19 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA Uso del suolo all’inizio del 1900 (da ATLANTE TCI 2006)

20 20 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA Uso del suolo all’inizio del 2000 (da ATLANTE TCI 2006)

21 21 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA Biosfera, segue Il concetto di BIOSFERA è stato introdotto da J.B. Lamarck e definito da E. Suess nel 1865. Questi e altri studiosi hanno messo in luce l’importanza degli organismi viventi nei processi geochimici che avvengono nella parte più esterna del nostro pianeta. Nella biosfera si trova materia vivente quando si rinviene contemporaneamente acqua allo stato liquido e una fonte di energia necessaria per il metabolismo degli esseri viventi. L’attività degli organismi viventi interagisce con gli ambienti della Terra attraverso i cicli biochimici. Il concetto di Biosfera inteso nel senso più ampio è stato riveduto oggi come Ipotesi di Gaia o Teoria di Gaia (Lovelock) secondo la quale il nostro pianeta si comporta come un complesso organismo vivente. Diagramma di flusso della Biosfera INTERAZIONE DELLA BIOSFERA CON LE ALTRE SFERE DELLA TERRA

22 22 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA E’ probabile che la materia vivente sia presente in quantità pari a n x 10 17 g che corrisponde a n x 10 20 mg per cm 2 di superficie terrestre. Sono state descritte oltre 350.000 specie di piante e oltre 1.200.000 specie di animali ma si ritiene che ve ne siano da scoprire almeno altre 500.000. La stima totale del numero di specie viventi ed estinte è compresa tra i 50 x 10 6 e i 4 x 10 9. Per quanto riguarda le attività biochimiche, gli organismi viventi vengono divisi in due classi: - autotrofi, cioè capaci di rendere organico il carbonio mediante la fotosintesi (Batteri, Alghe e piante superiori); - eterotrofi, cioè organismi mancanti di apparato fotosintetico (Virus, Batteri, Funghi, animali) che traggono l’energia dall’ossidazione di composti chimici. PIANTE (AUTOTROFE) PESCI (ETEROTROFI) Biosfera, segue

23 23 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA Biosfera, segue La fotosintesi è molto importante nell’economia della Biosfera. La quantità di anidride carbonica fissata annualmente per mezzo della fotosintesi nell’intera biosfera corrisponde presumibilmente a 7 x 10 16 g di carbonio. Gli elementi chimici che entrano nella composizione della materia vivente sono una settantina; non sono stati rinvenuti i gas nobili e tutti i metalli del gruppo del platino. Gli elementi biologici di maggior interesse e cioè idrogeno, carbonio, azoto, ossigeno, costituiscono circa il 98% del peso vivo dei tessuti dei viventi ed entrano nella composizione dei quattro principali composti chimici del protoplasma: acqua, proteine, carboidrati, lipidi. La quantità relativa degli elementi in termini di numero di atomi presenti segue l’ordine decrescente idrogeno> ossigeno> carbonio> azoto. Le strutture scheletriche o di sostegno possono essere costituite da composti organici come cellulosa, lignina, chitina e sclero-proteine oppure da composti inorganici come carbonato di calcio, silice e fosfato di calcio.

24 24 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA Biosfera, segue Gli elementi di maggiore importanza biologica sono in genere quelli a basso peso molecolare ad eccezione dello iodio (p.m. = 127). Nonostante che la massa della materia vivente presente nella biosfera sia piccola se comparata a quella dell’atmosfera, idrosfera e litosfera, gli organismi viventi esercitano un’azione geochimica piuttosto apprezzabile. Le piante terrestri, ad esempio, regolano i processi di erosione del suolo, trasportano alcuni elementi dagli strati più profondi in superficie e accelerano la decomposizione di alcuni minerali e rocce per mezzo dell’emissione di CO 2 e di alcuni composti organici. Inoltre molte delle caratteristiche chimiche e fisiche dei terreni e dei sedimenti di origine alluvionale quali il pH (indicatore di acidità), il potenziale di ossido-riduzione (Eh) sono determinate da attività dei microrganismi. Evoluzione di un suolo favorito dalle piante Ciclo del Carbonio

25 25 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA Microrganismi fossili del Precambriano Scogliera corallina fossile (sx); particolare di scogliera corallina attuale (dx) Calcare marnoso Biosfera, segue Un’altra prova dell’attività degli organismi della biosfera è fornita dalle bioerme calcaree (le scogliere coralline) e da altre rocce di origine organica come calcari o scisti bituminosi o carboniosi o giacimenti di carbone e di petrolio. Si evince da ciò l’enorme importanza che assumono gli esseri viventi nel contribuire a regolare l’intero ciclo geochimico del Pianeta. Prove geochimiche, come pure indicazioni derivanti dalla presenza di microrganismi fossili in depositi precambriani indicano che la biosfera esiste da almeno 3,2 miliardi di anni. A causa dei processi evolutivi sia l’entità numerica sia i tipi delle specie sono cambiati nel tempo.

26 26 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA Biosfera, segue Per apprezzare l’importanza quantitativa dell’influenza della biosfera basti pensare che le piante fotosintetiche utilizzano in 1 x 10 6 anni un peso di acqua pari a quello presente in tutti gli oceani. La riserva di ossigeno presente nell’atmosfera terrestre, che per questo si differenzia da quella degli altri pianeti, è derivata in gran parte dalla fotosintesi. La quantità totale di carbonio incorporata per mezzo della fotosintesi nelle piante verdi durante tutta la storia della Terra ammonta approssimativamente a 10 26 grammi, quantità equivalente a 1/50 del peso dell’intero globo terrestre. Si calcola che circa 10 21 g di questo carbonio siano ancora presenti sotto forma di composti organici fossili nel carbone, petrolio e scisti organici. Sezione di foglia con cloroplasti (cl), elementi necessari per l’attività fotosintetica delle piante Popolazione di Pino domestico

27 27 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA I CICLI BIOGEOCHIMICI Gli ELEMENTI che compongono la materia vivente si dividono in primari e secondari a secondo della loro importanza biologica. ELEMENTI PRIMARI L’idrogeno è presente in quasi tutti i composti biologici; è prodotto o utilizzato da varie specie batteriche. L’acido solfidrico e il metano sono metabolizzati anche in condizioni anaerobiche; la deidrogenazione è alla base di molte reazioni enzimatiche ossidative. Il carbonio è l’elemento che forma il maggior numero di composti. CICLO DEL CARBONIO (a lato) La parte terrestre (A) e quella marina (B) del ciclo del carbonio. Gli scambi tra atmosfera ed oceani sono in grado di equilibrarsi da soli; se aumenta l’anidride carbonica nell’aria, una parte finisce disciolta nell’acqua. Qui il fitoplancton la fissa e mette in circolazione ossigeno utilizzato dagli organismi marini per la respirazione, ricostituendo così l’anidride carbonica. Ciclo del carbonio PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA

28 28 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA Fonte: ATLANTE TCI 2006

29 29 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA CONCENTRAZIONE DI METANO NELL’ATMOSFERA

30 30 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA Segue cicli biogeochimici. Elementi primari L’ossigeno è un elemento essenziale per tutti gli organismi, tuttavia alcuni organismi (generalmente microrganismi) si sono adattati a un’esistenza anaerobica in alcuni casi facoltativa, in altri obbligatoria. Prodotto dalle piante verdi durante la fotosintesi, l’ossigeno è utilizzato nella respirazione delle piante e degli animali. L’azoto è presente in molti tessuti vegetali ma lo è in misura maggiore negli animali e in alcuni batteri. Alcuni di questi vivendo in simbiosi con le radici di alcune piante (es. Leguminose) trasformano l’azoto molecolare in composti organici. Ciclo dell’ossigeno Ciclo dell’azoto

31 31 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA Segue I cicli biogeochimici Il fosforo è presente in alcuni composti organici come ad esempio fosfoproteine, fosfolipidi, glucidi fosforati, acidi nucleici. I sali dell’acido fosforico sono assorbiti dalle acque naturali e qui da alghe e batteri. CICLO DEL FOSFORO (a lato) Il ciclo del fosforo. Questo elemento è solubile ma non volatile e segue la parte non atmosferica del ciclo dell’acqua (A). Il dilavamento delle rocce lo porta in mare da cui non ritornerebbe nella litosfera se non fosse per l’azione degli organismi. Buona parte del ciclo del fosforo è legata al ciclo delle rocce (B). CICLO DEL FOSFORO Alghe calcaree fossili

32 32 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA Segue I cicli biogeochimici ELEMENTI SECONDARI Altri elementi esenziali per gli organismi viventi in ordine di concentrazione sono: sodio, calcio, magnesio, zolfo, cloro, potassio, ferro, silicio, vanadio, zinco, boro, fluoro, manganese, cobalto e iodio. Il sodio è presente nei liquidi circolanti degli organismi mentre il potassio è presente negli spazi intercellulari. Il cloro si trova nei liquidi biologici come cloruro. Lo iodio viene concentrato da alcune alghe come le Rodofite e le Phaeofite. Il calcio è l’elemento biologicamente più importante della famiglia degli alcalino-terrosi in quanto si trova nello scheletro sotto forma di carbonati (aragonite, calcite) e fosfati (idrossiapatite). Gli scheletri a base di calcite in genere sono ricchi di magnesio (2-28%) mentre quelli a base di aragonite ne contengono meno dell’1%. I Coralli e alcune Rodofite e Phaeofite accumulano stronzio al posto del calcio traendolo dall’acqua di mare. L’alluminio è il terzo elemento della litosfera in ordine di abbondanza ma è scarso nella maggior parte dei tessuti viventi. Il ferro si trova in numerosi composti organici di origine biologica, i più importanti dei quali sono l’emoglobina e gli enzimi respiratori. Il ciclo geochimico del ferro è influenzato direttamente dai ferro-batteri con la deposizione di idrossidi e, indirettamente, attraverso cambiamenti nel pH (indicatore di acidità) e nell’ Eh (potenziale di ossido-riduzione). Il manganese funziona da cofattore per alcuni enzimi.

33 33 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. BIOSFERA Segue I cicli biogeochimici Segue Elementi secondari Il ciclo geochimico dello zolfo è fortemente influenzato dalle reazioni biologiche. I Batteri sulfurei non forniti di attività fotosintetica basano il loro processo vitale sul metabolismo di composti solforati. Durante la decomposizione anaerobica del plancton si genera acido solfidrico. Ciclo dello zolfo in terra (A) e in mare (B).

34 34 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA L’IPOTESI DI GAIA La nostra Terra veniva chiamata GEA dagli antichi Greci (da  forma contratta di  ), identificata come Madre Natura e considerata una divinità dispensatrice di frutti, di piante, di animali e di qualsiasi prodotto naturale necessario alla vita. La sua venerazione, però, risale almeno alle civiltà preistoriche secondo le quali la Terra veniva considerata la Madre di tutte le cose, animate e inanimate, ritenuta tutrice della fertilità e dell’abbondanza e rappresentata iconograficamente come un’immagine femminile florida e rotondeggiante (figura steatopigia: con rotondità lombari). Gea, nata dalle Tenebre e dal Caos generò Urano (il cielo). Con Urano generò Crono (il tempo) e Oceano. Era considerata anche madre di Zeus (Giove) e quindi progenitrice di tutte le divinità. I popoli italici chiamavano TELLUS (- Mater) la Madre Terra la quale con Jupiter Pater generò ogni cosa. Era considerata anche la regina del mondo sotterraneo e quindi ad essa era legato il culto dei morti. La sacralità della Terra rese Gea dea universale e venerata presso tutte le religioni con nomi diversi: Rea, Cibele, Cerere, Demetra ecc. Nel mondo romano imperiale Gea venne traslitterato in GAIA, forse anche in ossequio ai diffusi nomi di Caius e Caia. CIBELE Dea-madre steatopigia di Willendorf. Paleolitico

35 35 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA Sul finire del XVI° secolo il filosofo Tommaso Campanella, antiaristotelico e antidogmatico, riprende dal contemporaneo Telesio l’impostazione naturalistica e sensistica dei fenomeni enfatizzando il carattere dinamico, intelligente e finalistico della Natura. Enunciò quindi la dottrina della ‘sensibilità universale’ (Panpsichismo) per cui ‘tutto sente’ e ‘’tutto vive’ e quindi tutto è animato da una forza intrinseca che giustifica l’essere e il divenire delle cose senza dover ricorrere a principi trascendenti o metafisici (De sensu rerum). Questo concetto della Natura sensibile e partecipe era estesa quindi a tutta la Terra. Immaginando una forma di sinergia tra sensibilità naturale e il buon vivere degli uomini giunse a ipotizzare una città utopistica, la Città del Sole. TOMMASO CAMPANELLA

36 36 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA Quattro secoli più tardi James Lovelock, chimico-fisico inglese, uno dei fondatori dell’ecologia, giunse a sostenere che la Terra (GAIA) è un essere vivente: con l’atmosfera, gli oceani, la biosfera forma un solo essere vivente indissolubile: sono gli esseri viventi che producono l’atmosfera e non il contrario. L’inquinamento, l’energia nucleare e il buco nella fascia dell’ozono secondo Lovelock sono falsi problemi. ‘GAIA sa generare tutto ciò che occorre al suo sostentamento attraverso i propri automatismi. Se i sapienti si associano in massa a queste paure è perché vanno dove s’intravede guadagno e tornaconto personale: la comunità scientifica sa finanziarsi sfruttando la credulità del pubblico (Lovelock)’. Il depauperamento dello strato d’ozono, per esempio, è solo un mezzo utilizzato da GAIA per compensare il riscaldamento del pianeta o ‘effetto serra’. Il miscuglio di alghe che viene rilasciato dalle onde e dalla marea sulla riva o nelle sue immediate vicinanze, produce naturalmente lo iodio che risale nell’atmosfera e distrugge l’ozono. JAMES LOVELOCK Il buco dell’ozono Lovelock e una raffigurazione di GAIA

37 37 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA L'IPOTESI GAIA è una teoria formulata da James Lovelock nel 1979 in "Gaia. A New Look at Life on Earth". Nella sua prima formulazione l'ipotesi Gaia, che altro non è che il nome del pianeta vivente (derivato da quello dell’omonima divinità femminile greca, nota anche col nome di Gea), si basa sull'assunto che gli oceani, i mari, l‘atmosfera, la crosta terrestre e tutte le altre componenti geofisiche del pianeta terra si mantengano in condizioni idonee alla presenza della vita proprio grazie al comportamento e all'azione degli organismi viventi, vegetali e animali. Ad esempio la temperatura, lo stato d‘ossidazione, l‘acidità, la salinità e altri parametri chimicofisici fondamentali per la presenza della vita sulla terra presentano valori costanti. Questa omeostasi* è l'effetto dei processi di feedback** attivo svolto in maniera autonoma e inconsapevole dal biota***. Inoltre tutte queste variabili non mantengono un equilibrio costante nel tempo ma evolvono in sincronia con il biota. Quindi i fenomeni evoluzionistici non riguardano solo gli organismi o l’ambiente naturale, ma l'intera Gaia. * L'omeostasi è la condizione di stabilità interna degli organismi che deve mantenersi anche al variare delle condizioni esterne attraverso meccanismi autoregolatori. È il mantenimento della costanza di composizione chimica ottimale del plasma, del liquido interstiziale e del liquido intracellulare. ** La retroazione - o retroregolazione (feedback in inglese, ma usato spesso anche in italiano) è la capacità dei sistemi dinamici di tenere conto dei risultati del sistema per modificare le caratteristiche del sistema stesso. *** Biota è un termine che indica la vita animale e vegetale di una regione

38 38 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA Il SISTEMA GAIA, che non è identificabile né con il termine biosfera, né con biota, che sono solo due elementi che la compongono, comprende invece: Organismi viventi che crescono e si riproducono sfruttando ogni possibilità che l'ambiente concede. Organismi soggetti alle leggi della selezione naturale darwiniana Organismi che modificano costantemente il loro ambiente chimicofisico, cosa che avviene costantemente come semplice effetto di tutti quei processi fondamentali per la vita, come la respirazione, la fotosintesi ecc. Fattori limitanti che stabiliscano i limiti superiori ed inferiori della vita. L'ambiente può presentare temperature eccessivamente alte o basse per l'affermarsi della vita in un dato ambiente. Stesso discorso per le concentrazioni di sali, minerali, composti chimici ecc. Un fattore inquinante dell'intera Gaia sono certamente le attività e l’ambiente costruito dall'uomo, il quale anche se non facente parte del sistema, intereagisce fortemente con esso modificando i fattori limitanti (temperatura, composti chimici ecc.).

39 39 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA LA NUOVA ERA GLACIALE Appunto perché viva, secondo Lovelock, Gaia reagirà anche al surriscaldamento globale, raffreddandosi e provocando una nuova era glaciale. A sostegno della sua tesi, lo scienziato espone i dati relativi agli ultimi anni prima della scorsa era glaciale, quando la terra aveva una temperatura di 5 °C maggiore alla nostra. Per Lovelock però è troppo tardi per rimediare, la glaciazione è vicina, ma i nostri sbagli potrebbero salvarci: Lovelock spera infatti che anche se la Terra andasse incontro ad una nuova glaciazione, l’effetto serra riscalderà Gaia, limitando il freddo.

40 40 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA 40 CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE ANNO ACCADEMICO 2011-2012 GEOSCIENZE PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA L’ IPOTESI DI GAIA APPROFONDIMENTO

41 41 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA LOVELOCK è presidente della Marine Biological Association, nel 1974 fu nominato membro della Royal Society e nel 1990 fu premiato dalla Reale Accademia Olandese delle Arti e delle Scienze. Scienziato indipendente, inventore e autore di numerosi saggi di stampo ambientalista, Lovelock porta avanti i propri studi in una tenuta- laboratorio in Cornovaglia. Nel 2006 gli fu assegnata laMedaglia Wollaston. Lovelock è preoccupato del riscaldamento climatico causato dall'effetto serra. Nel 2004 ha creato scalpore nei media, quando rompe con molti compagni ambientalisti pronunciando le parole: “ora solo l'energia nucleare può fermare il riscaldamento globale”. Nella sua visione, l'energia nucleare è l'unica alternativa realistica ai combustibili fossili che ha la capacità di soddisfare sia i bisogni di energia su larga scala dell'umanità e nel contempo ridurre le emissioni di gas serra. È un membro pubblico della E.F.N. (Ambientalisti per l'Energia Nucleare, AAPN). Bibliografia Lovelock, James (1980): Omaggio a Gaia. La vita di uno scienziato indipendente, Bollati Boringhieri; Lovelock, James (1981): Gaia. Nuove Idee sull'Ecologia, Bollati Boringhieri; Lovelock, James (1991): Le Nuove Età di Gaia, Bollati Boringhieri; Lovelock, James (1992): Gaia. Manuale di Medicina Planetaria, Zanichelli; Lovelock, James (2006): La rivolta di Gaia, Rizzoli; Lovelock, James (2008): Progettare l'Energia, scritto con Umberto veronesi e conCarlo Rubbia, Sperling e Kupfer.

42 42 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA In disaccordo con quanti ritengono che la vita esiste sulla terra solo perché vi sussistono condizioni favorevoli, Lovelock vede il pianeta come un unico organismo vivente, GAIA, capace di autoregolarsi e quindi di rispondere a tutti quei fattori nuovi e avversi che turbano gli equilibri naturali. Già in passato GAIA ha dimostrato di saper superare crisi anche gravi come la comparsa dell’ossigeno nell’aria circa due miliardi di anni fa. Secondo la tesi di Lovelock la materia vivente non rimane passiva di fronte a ciò che minaccia la propria esistenza: l’atmosfera sembra essere programmata dalla totalità dei sistemi viventi, in collaborazione tra loro, per poter esercitare alcune funzioni di regolazione. La Natura quindi, secondo Lovelock non deve esser considerata come una forza primitiva da sottomettere o conquistare ma piuttosto come un’incubatrice, un grembo da rispettare con senso di responsabilità.

43 43 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA Quando nel 1979 Lovelock enunciò l’ipotesi di GAIA, organismo vivente capace di autoregolarsi e rispondere ai fattori nuovi e avversi che turbano l’equilibrio naturale, la sua posizione fu interpretata come una provocazione, quasi un’eresia, perché offriva all’ecologia una prospettiva nuova, equidistante tanto dalle ottiche catastrofistiche quanto da quelle improntate a eccessivo ottimismo. Lovelock mette in discussione anche la teoria evoluzionistica darwiniana: da un’idea dell’evoluzione come adattamento della vita all’ambiente passa a un’idea di coevoluzione tra sistemi viventi e ambienti che elimina definitivamente l’immagine di una natura primitiva e matrigna. James Lovelock (1919-vivente) ha svolto ricerche sull’ambiente, sullo spazio e sulla radioattività. Ha lavorato al National Institute for Medical Researche di Londra e alla NASA, collaborando al progetto Surveyor. Ha inventato l’Electron Capture Detector che consente di rilevare la presenza di pesticidi e altri prodotti pericolosi nell’ambiente. La sua scoperta sull’accumulo dei clorofluorocarburi nell’atmosfera aprì la strada allo studio del buco nello strato di ozono.

44 44 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA LA TERRA, GAIA Ripercorrendo la teoria di Lovelock annotiamo i seguenti punti di interesse: La Terra, in quanto sistema di autoregolazione, conserva la composizione dell’aria e la temperatura della sua superficie regolando così le condizioni per la continuazione della vita. Non sappiamo come l’intricato intreccio delle relazioni biologiche riescano a far ciò ma è invece certo che il bioma 1 terrestre riesce a controllare vasti spazi della superficie del pianeta così come noi riusciamo a mantenere costante la temperatura del nostro corpo. 1. In ecologia s’intende per bioma un insieme di animali e vegetali che vivono in un determinato luogo di determinate caratteristiche e che hanno raggiunto un elevato adattamento all’ambiente in cui vivono, con particolare riferimento al clima.

45 45 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA Avviene così che GAIA può impedire che l’ossigeno e l’azoto dell’aria degenerino in nitrati e ossidi di azoto come sarebbe naturale che avvenga. Se non vi fosse una produzione costante a livello mondiale di nuovo ossigeno da parte degli organismi vegetali attraverso la fotosintesi e se non vi fosse continua produzione di azoto libero da parte dei batteri anaerobici che respirano attraverso nitrati e ammoniaca, l’atmosfera terrestre evolverebbe rapidamente verso una miscela di gas non utilizzabili o addirittura velenosi. E se anche non si liberassero costantemente scariche elettriche nell’atmosfera, probabilmente questa non sarebbe più ospitale per la vita di quanto non lo sia l’acida Venere. Sulla Terra l’ambiente è stato prodotto e controllato dalla vita così come la vita è stata prodotta e influenzata dall’ambiente. I processi di fotosintesi e respirazione

46 46 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA PRINCIPALI BIOMI NEL MONDO - 1

47 47 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA PRINCIPALI BIOMI NEL MONDO - 2

48 48 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA L’IPOTESI GAIA secondo cui la temperatura e la composizione dell’atmosfera terrestre sarebbero regolate attivamente dall’insieme di flora e fauna, venne messa a punto da Lovelock mentre stava lavorando per la NASA sulla possibilità e sui modi di scoprire la vita su Marte (missione Viking). Lovelock considerò che nella nostra atmosfera coesistono gas che, quando vengono saggiati in sistemi chimici semplici, reagiscono prontamente e con facilità per dare origine a composti stabili. Sembra però che nella nostra atmosfera questi gas rimangano separati in apparente inosservanza delle leggi che regolano l’equilibrio chimico. Lovelock immaginò che se l’atmosfera terrestre era di fatto così apparentemente bizzarra, lo doveva alle proprietà collettive degli organismi viventi, in particolare del bioma terrestre. Nell’ambito di questo è il bioma di dimensioni microscopiche che produce costantemente enormi quantità di gas reattivi. Le alghe verdi sollecitate dalla luce attivano la fotosintesi clorofilliana. L’ossigeno così prodotto attira colonie di batteri sulla loro superficie.

49 49 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA Ricercando gli stessi miscugli di gas nelle atmosfere degli altri pianeti attraverso spettroscopi montati su telescopi, Lovelock immaginava di poter scoprire biosfere aliene senza lasciare la Terra. Studiando l’atmosfera di Marte trovò che questo pianeta con una temperatura oscillante da -128°C a +24°C, con un’atmosfera composta per il 95% da anidride carbonica e una pressione al suolo di 5 bar e una costante solare pari a meno della metà di quella ricevuta dalla Terra, presentava un equilibrio abbastanza comprensibile sotto il profilo della chimica e della fisica ma non avendovi ravvisato alcun fenomeno basato su un sistema di tipo GAIA predisse che in quelle condizioni ambientali non vi poteva essere vita su Marte. La predizione di Lovelock fu confermata dalle missioni Viking i cui esperimenti biologici effettuati a bordo delle navicelle atterrate morbidamente sul pianeta accertarono l’assenza di qualsiasi segno di vita. Sopra: come potrebbe apparire un pianeta molto più grande della Terra con forte gravità e un’atmosfera densa: scarsi rilievi, paludi, flora e faune acquatiche, piccoli erbivori. Sotto: Immagine di un mondo a bassa gravità e atmosfera rarefatta: monti e alberi alti; creature cresciute in verticale

50 50 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA Partendo da questa constatazione Lovelock giunse alla conclusione che il mistero della vita sulla Terra era altrettanto grande di quanto non lo fosse altrove nello spazio infinito. La biosfera assunse ai suoi occhi una nuova veste: come mai la Terra aveva un’atmosfera così diversa da quella che avrebbe dovuto essere basandosi semplicemente su pura base chimica? La presenza di un buon 20% di ossigeno nell’atmosfera crea squilibri enormi negli altri gas come metano, ammoniaca, cloruro di metile, gas sulfurei ecc., i quali normalmente reagiscono molto facilmente con l’ossigeno. Eppure la loro concentrazione è relativamente elevata. Il metano, per esempio ha una concentrazione 10 35 volte superiore a quella che dovrebbe avere considerando l’abbondanza di ossigeno. E così anche per l’azoto, il monossido di carbonio, l’ossido nitroso. Immissione e perdite dell’ossigeno nell’atmosfera Concentrazione di metano nell’atmosfera

51 51 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA Un’altra problematica investe la temperatura della Terra. Certamente la quantità di energia emessa dal Sole a partire dal momento della formazione del sistema solare è aumentata, forse anche del 50%. Eppure sembra che la temperatura media sulla Terra sia rimasta pressoché costante (intorno ai 17°) anche se vi sono stati periodi di fluttuazione tra periodi glaciali e e periodi di surriscaldamento. La risposta ragionata fu che la vita non solo regolava la composizione dei gas atmosferici su scala mondiale ma poneva sotto controllo la stessa temperatura del pianeta. All’epoca dei dinosauri, per esempio, la temperatura media sulla Terra era compatibile con un ambiente di tipo tropicale. In altri periodi era estesamente coperta da ghiacci. Ebbene, la Terra si sarebbe autoregolamentata non arroventandosi come Venere, né congelando come Marte.

52 52 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA Se il bioma terrestre nella sua complessità non avesse risposto alle principali perturbazioni esterne come l’aumento della luminosità solare o gli impatti meteorici tanto devastanti come lo sono oggi le bombe nucleari noi, oggi, come parte di quel bioma, molto probabilmente non saremmo qui. Sosteneva Lovelock: la vita non è circondata da un ambiente essenzialmente passivo a cui essa si è adattata. Al contrario essa fa e disfa il proprio ambiente. L’atmosfera è parte della biosfera; poiché l’anidride carbonica viene trasformata nelle cellule e può anche essere utilizzata per controllare la temperatura dell’atmosfera, è probabile che un modo in cui la vita regoli la temperatura del pianeta sia quello di modulare il livello di anidride carbonica prodotto. Ciclo dell’ossigeno e del carbonio

53 53 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA Nel mondo reale sono la crescita, il metabolismo e le proprietà che riguardano gli scambi di gas nei minuscoli esseri microscopici a formare i complessi sistemi chimici e fisici che modulano la biosfera. Minuscole alghe che galleggiano sul mare possono teoricamente far entrare il mondo in un’epoca glaciale semplicemente crescendo più rapidamente alle latitudini settentrionali. Nel produrre i guscetti di carbonato di calcio, morendo e inabissandosi sul fondo dei mari sottraggono all’ambiente il carbonio necessario per produrre anidride carbonica. Poiché l’anidride carbonica è un gas da effetto serra, una minore quantità di anidride carbonica nell’atmosfera si traduce in un abbassamento della temperatura. Ma con temperature più basse le alghe crescono meno, una quantità minore di anidride carbonica viene rimossa dall’aria per produrre guscetti e il pianeta evolve verso un clima più caldo invertendo il ciclo precedente. Il metabolismo può essere rappresentato come un flusso circolare interno all’organismo che richiede una fonte esterna per l’accumulo di energia (anabolismo) e un ambiente esterno per smaltire i gas di rifiuto o energia degradata sviluppati dalle reazioni di ossidazione dei processi di respirazione (catabolismo) ALGHE VERDI

54 54 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA I circuiti di retroazione sono perciò così strettamente collegati che una moria massiccia di alghe marine, accoppiata all’erosione delle rocce carbonatiche, processo che libera anidride carbonica nell’atmosfera, può anche provocare un aumento termico dell’atmosfera. Analizzando l’aria fossile rimasta intrappolata nei ghiacci polari, i ricercatori hanno trovato che circa 20.000 anni fa al culmine dell’ultima glaciazione (Würmiana) l’anidride carbonica aveva una concentrazione pari ai 2/3 di quella che si sarebbe avuta nel secolo scorso, all’inizio dell’era industriale, livello che aveva raggiunto già agli albori della civiltà. L’aumento della temperatura 12.000 anni fa ebbe luogo in meno di 100 anni e non per cause geochimiche o geologiche. Probabilmente fu una moria di alghe marine che causò una aumento della temperatura mondiale e permise all’uomo di uscire dalle caverne. Ghiacci polari Falesia di calcare

55 55 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA Possiamo dunque immaginare sistemi di regolazione della temperatura e dell’atmosfera a livello planetario. I sistemi di controllo ambientale più importanti sono gli organismi microscopici che producono gas e che sono di gran lunga più resistenti e più antichi della combustione di oli minerali. Alla luce di quanto descritto, appare evidente che solo con un’esplorazione scientifica completa dei meccanismi di controllo di GAIA ci si può attendere di creare nello spazio habitat viventi che si autosostentino. Se mai dovessimo progettare ecosistemi chiusi in grado di produrre e rifornire le riserve vitali, dovremmo studiare la tecnologia naturale della Terra. Abitare altri mondi, avere la possibilità di passeggiare in giardini su Marte è un progetto straordinario che si può pensare solo partendo da una prospettiva di Gaia. diatomee

56 56 E. CRAVERO - NTRODUZIONE ALLE GEOSCIENZE CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE 2012-2013 - UNINA PARTE SECONDA. GAIA, LA TERRA E LA VITA – 8. L’IPOTESI DI GAIA Le conclusioni di Lovelock vengono quanto meno considerate con scetticismo da ampia parte del mondo scientifico ma lasciano spazio a interessanti stimoli e interrogativi e aprono nuove prospettive di ricerca. La critica più consistente riguarda certamente la rivisitazione e, se vogliamo, il ridimensionamento della teoria evoluzionista darwiniana, ormai accettata, per certi aspetti verificata e di recente riaccreditata. A voler ripercorrere la sintesi del pensiero di Lovelock, dobbiamo dunque porci il quesito: l’ipotesi di Gaia è scientificamente percorribile oppure è puro idealismo che sconfina nella filosofia? Certo, l’idea di un superorganismo che ‘tutto vive’ e ‘tutto sente’ e si autoregola come i processi metabolici è suggestiva ma la sua accettazione acritica potrebbe aprire la strada a scelte di tipo dogmatico. Perché allora non pensare ad una Creazione ad opera del Sopranaturale o forse del Caos? Lovelock, comunque, imposta il problema con logica stringente, basata su valide considerazioni scientifiche. C’è indubbiamente del vero in ciò che asserisce ma il processo di deduzione è piuttosto ingessato: occorre pensare a cosa c’era prima, ab initio, per poter immedesimarsi nella logica di Gaia. E non solo prima che la vita comparisse sulla Terra, quanto prima ancora che l’Universo iniziasse a pulsare e gli elementi chimici di seconda generazione iniziassero a sintetizzarsi nelle fornaci stellari. Se l’ipotesi di Gaia vuole solo rivedere o forse anche ridimensionare il ruolo che l’Uomo ricopre nel bilancio dei fenomeni globali e delle energie che essi impegnano o producono, allora è una buona base di partenza per impostare più correttamente le problematiche di tipo ambientale, comprenderne i meccanismi senza complessi di protagonismo, adoperarsi per assecondare la variabilità del nostro pianeta, tentare perfino di realizzare una ‘Città del Sole’ su scala globale.