L’atmosfera terrestre è composta per circa il 78% di azoto e il 21% di ossigeno, con tracce di altri gas. L’ossigeno è essenziale per tutta la vita animale e per molti altri organismi. Poiché il gas viene utilizzato dalle forme di vita che respirano ossigeno e tende anche a reagire con molte rocce e minerali, deve essere costantemente reintegrato. Circa il 98% dell’ossigeno atmosferico proviene dalla fotosintesi, il processo attraverso il quale le piante producono zuccheri da anidride carbonica e acqua. Il resto risulta dalla rottura dell’acqua per radiazione ultravioletta.
Fotosintesi
Le piante e alcuni batteri usano la fotosintesi per produrre cibo sotto forma di zuccheri e altre sostanze ricche di energia. L’acqua e l’anidride carbonica vengono assorbiti dall’organismo e la luce solare fornisce energia che alimenta il processo. L’ossigeno sembra essere un sottoprodotto estremamente utile. Per quanto ne sanno gli scienziati, i livelli di ossigeno sulla Terra sono rimasti abbastanza stabili per diverse centinaia di milioni di anni. Ciò indica che la produzione di ossigeno mediante fotosintesi è stata più o meno bilanciata dal suo consumo da parte di altri processi, come la respirazione di ossigeno o l’aerobica, le forme di vita e le reazioni chimiche.
Le fonti di ossigeno atmosferico attraverso la fotosintesi sono il fitoplancton, come i cianobatteri nell’oceano e gli alberi e altre piante verdi sulla terra. L’importo a cui ciascuna fonte contribuisce è in discussione: alcuni scienziati suggeriscono che oltre la metà provenga dagli oceani, ad esempio, mentre altri avvicinano il numero a un terzo. Ciò che è chiaro è che i numeri hanno fluttuato nel tempo geologico, a seconda dell’equilibrio della vita sulla Terra. All’inizio dello sviluppo dell’atmosfera, ad esempio, i cianobatteri hanno contribuito con la maggior parte dell’ossigeno.
L’aumento dei livelli di ossigeno
Si pensa che, inizialmente, l’ossigeno prodotto dai cianobatteri sia stato utilizzato per reagire con il ferro nei suoli, nelle rocce e nell’oceano, formando composti e minerali di ossido di ferro. I geologi possono stimare la quantità di ossigeno nell’atmosfera nei tempi antichi osservando i tipi di composti di ferro nelle rocce. In assenza di ossigeno, il ferro tende a combinarsi con lo zolfo, formando solfuri come le piriti. Quando è presente, tuttavia, questi composti si rompono e il ferro si combina con l’ossigeno, formando ossidi. Di conseguenza, le piriti nelle rocce antiche indicano bassi livelli di ossigeno, mentre gli ossidi indicano la presenza di quantità significative di gas.
Una volta che la maggior parte del ferro disponibile si era combinato con l’ossigeno, il gas era in grado di accumularsi nell’atmosfera. Si pensa che da circa 2,3 miliardi di anni fa, i livelli fossero passati da una minuscola traccia all’1% circa dell’atmosfera. Le cose sembravano poi rimanere in equilibrio per un lungo periodo mentre altri organismi si sono evoluti per utilizzare l’ossigeno per fornire energia dall’ossidazione del carbonio, producendo anidride carbonica (CO2). Hanno raggiunto questo obiettivo mangiando materiale vegetale organico ricco di carbonio, vivo o morto. Ciò ha creato un equilibrio, con la produzione di ossigeno attraverso la fotosintesi abbinata al suo consumo da parte di organismi che respirano ossigeno.
Sembra che, a causa di questo equilibrio, la fotosintesi da sola non possa spiegare l’aumento iniziale dell’ossigeno. Una spiegazione è che parte della materia organica morta fu sepolta nel fango o in altri sedimenti e non era disponibile per gli organismi aerobici. Questa questione non poteva combinarsi con l’ossigeno atmosferico, quindi non tutto l’elemento prodotto è stato utilizzato in questo modo, consentendo ai livelli di aumentare.
Ad un certo punto della storia della Terra, i livelli di ossigeno sono aumentati drasticamente attorno al loro livello attuale. Alcuni scienziati ritengono che ciò potrebbe essere accaduto circa 600 milioni di anni fa. Intorno a questo periodo, apparvero molti organismi pluricellulari, relativamente grandi, complessi, che avrebbero richiesto livelli di ossigeno molto più elevati. Tuttavia, non è chiaro cosa abbia causato questo cambiamento. È interessante notare che si è verificato quando la Terra sembrava emergere da un’enorme era glaciale, durante la quale la maggior parte del pianeta era coperta da ghiaccio.
Una teoria è che l’azione dei ghiacciai, durante l’avanzamento e la ritirata, ha macinato roccia ricca di fosforo e ne ha liberato enormi quantità negli oceani. Il fosforo è un nutriente essenziale per il fitoplancton, quindi potrebbe aver causato un’esplosione di questa forma di vita. Ciò, a sua volta, porterebbe ad un aumento della produzione di ossigeno, con probabilmente pochissima vita terrestre a consumarlo. Tuttavia, non tutti gli scienziati concordano con questa teoria e, a partire dal 2012, il problema rimane irrisolto.
Minacce ai livelli di ossigeno atmosferico
Uno studio ha dimostrato che i livelli di ossigeno sono diminuiti costantemente tra il 1990 e il 2008 di circa lo 0,0317% in totale. Ciò è principalmente attribuito alla combustione di combustibili fossili, che consumano ossigeno nella combustione. Il declino, tuttavia, è inferiore al previsto, data la quantità di combustibili fossili bruciati durante quel periodo. Una possibilità è che l’aumento dei livelli di anidride carbonica, eventualmente combinato con l’uso di fertilizzanti, abbia favorito una crescita più rapida delle piante e una maggiore fotosintesi, compensando in parte la perdita. Si stima che anche se tutte le riserve mondiali di combustibili fossili dovessero essere bruciate, avrebbe solo un impatto diretto molto ridotto sui livelli di ossigeno.
La deforestazione è un’altra preoccupazione popolare. Sebbene la distruzione di vaste aree della foresta pluviale abbia molti altri gravi effetti ambientali, è improbabile che riduca significativamente i livelli di ossigeno. Oltre agli alberi e ad altre piante verdi, le foreste pluviali supportano un’intera gamma di vita che respira ossigeno. Sembra che queste foreste contribuiscano molto poco ai livelli di ossigeno atmosferico in generale, poiché consumano quasi la stessa quantità di ossigeno che producono.
Una minaccia più grave potrebbe essere l’impatto delle attività umane sul fitoplancton, che, secondo alcune fonti, danno il maggior contributo ai livelli globali di ossigeno. Si teme che un aumento del biossido di carbonio nell’atmosfera causato dalla combustione di combustibili fossili possa rendere gli oceani più caldi e acidi, riducendo la quantità di fitoplancton. A partire dal 2012, le prove non sono chiare, poiché diversi tipi di fitoplancton sono influenzati in modo diverso. Alcuni possono diminuire di numero, mentre altri possono crescere e fotosintesi più velocemente.