scienze della terra
minerali
L’evoluzionedei
di Robert M. Hazen
in sintesi
■ Gli
ingredienti da cui ha
avuto origine il sistema
solare 4,6 miliardi di anni fa
comprendevano solo una
dozzina di minerali
(composti cristallini). Oggi
sulla Terra ci sono più di
4400 specie minerali.
■ I numerosi
minerali del
nostro pianeta hanno
impiegato moltissime ere
geologiche per svilupparsi,
e sono il risultato di diversi
processi di formazione.
■ Oltre
la metà delle specie
minerali terrestri deve la sua
esistenza agli organismi
viventi, che più di due
miliardi di anni fa hanno
iniziato ad alterare la
geologia del pianeta.
90 LE SCIENZE
N
el cosmo delle origini non c’erano minerali. Nessun solido di alcun tipo avrebbe
potuto formarsi e sopravvivere alle temperature infernali successive al big bang, i primi
atomi (idrogeno, elio e un po’ di litio) emersero dopo mezzo milione di anni. Poi, nel corso di altri
milioni di anni, la gravità costrinse questi gas primordiali a formare le prime nebulose, che in seguito collassarono, formando le prime stelle.
Solo allora, con l’esplosione di alcune stelle giganti e la nascita delle prime supernove, tutti gli
altri elementi chimici furono sintetizzati e diffusi nello spazio. Solo allora, negli inviluppi stellari gassosi in espansione e in raffreddamento, poterono formarsi i primi minerali solidi. Questi primi
elementi e i loro composti erano però troppo rari e dispersi, o troppo volatili, ed esistevano solo
sotto forma di atomi e molecole in mezzo ai gas
e alle polveri primordiali. Ma questi materiali non
potevano ancora definirsi minerali, visto che non
formarono cristalli con una composizione chimica
ben precisa e con atomi organizzati in strutture ordinate e ripetute.
I primi veri minerali furono probabilmente microscopici cristalli di diamante e grafite, forme
pure di un elemento molto abbondante, il carbonio. A questi si aggiunse presto una dozzina di altri microcristalli, come la moissanite (carburo di
silicio), l’osbornite (nitruro di titanio) e alcuni ossidi e silicati. Per decine di milioni di anni, queste
antichissime specie minerali furono i soli cristalli dell’universo.
Oggi, invece, sulla Terra sono note più di 4400
specie minerali e molte altre devono ancora essere
scoperte. Che cosa produsse questa imponente diversificazione? Per rispondere, di recente ho pre-
sentato, insieme ad altri sette scienziati, un nuovo
modello di «evoluzione dei minerali». Questo modello si differenzia dall’approccio tradizionale della mineralogia, vecchio di secoli, che tratta i minerali come oggetti dotati di proprietà chimiche e
fisiche specifiche, ma indipendenti dal tempo, che
è la quarta fondamentale dimensione della geologia. Il nostro approccio invece basa la conoscenza
dei minerali e dei processi che hanno portato alla
loro sintesi proprio sulla storia della Terra.
Abbiamo subito capito che l’evoluzione dei minerali è iniziata con la nascita dei primi pianeti
rocciosi, visto che i pianeti sono il motore stesso
della formazione dei minerali. Abbiamo osservato
che negli ultimi 4,5 miliardi di anni la Terra ha attraversato una serie di fasi, ognuna caratterizzata
da fenomeni che ne hanno drasticamente alterato
e arricchito il panorama mineralogico.
Alcuni punti di questa storia sono dibattuti e
saranno sicuramente modificati da scoperte future,
ma nel complesso l’evoluzione dei minerali è basata su una scienza ampiamente accettata. Non stiamo presentando dati nuovi e controversi o teorie
radicalmente innovative su quanto è successo nelle varie fasi della storia della Terra. Al contrario,
stiamo riorganizzando gli elementi di questa storia
basandoci sull’evoluzione dei minerali.
Ci tengo comunque a sottolineare una scoperta molto interessante: buona parte delle migliaia di minerali che si trovano sulla Terra deve la
sua esistenza allo sviluppo della vita. Se siete abituati a pensare al mondo inanimato come a un
palcoscenico su cui la vita recita la commedia
dell’evoluzione, siete fuori strada: gli attori hanno modificato il teatro nel corso del tempo. Questa
osservazione, tra l’altro, potrebbe avere implica501 maggio 2010
Holly Lindem
Lo studio del passato delle rocce ha portato
a una conclusione sorprendente: molti dei minerali che conosciamo
devono la loro esistenza agli esseri viventi
www.lescienze.it
LE SCIENZE 91
La Terra in formazione
Istantanee
dalla storia
dei minerali
La Terra nera
4,6 MILIARDI DI ANNI FA: nel disco di polvere e gas rimasto attorno al Sole (sullo sfondo) dopo
l’accensione, milioni di planetesimi si formano e si scontrano, dando origine alla Terra (in
primo piano). Più di 200 minerali, tra cui l’olivina e lo zircone, si sviluppano sui planetesimi in
seguito a collisioni, ripetute fusioni e reazioni con l’acqua. Molti di questi minerali sono stati
trovati nelle antiche meteoriti condritiche.
zioni nella ricerca della vita su altri pianeti: infatti i segni di vita più resistenti e duraturi potrebbero essere forniti da minerali, anziché da fragili
resti organici.
La Terra in formazione
L’autore
Robert M. Hazen è ricercatore
del Laboratorio di geofisica
della Carnegie Institution e insegna
scienze della Terra alla George
Mason University. Ha conseguito un
dottorato in scienze della Terra alla
Harvard University nel 1975. È
autore di 350 articoli scientifici. Le
sue ricerche più recenti riguardano il
ruolo dei minerali nell’origine della
vita. In suo onore è stato battezzata
la hazenite, un minerale prodotto
per precipitazione da alcuni microbi
del Lago Mono, altamente alcalino,
in California.
92 LE SCIENZE
I pianeti si formano in nebulose al cui interno
si trova dispersa la materia espulsa dalle supernove. La maggior parte della massa di una nebulosa collassa rapidamente, formando la stella centrale, ma una parte del materiale rimane sospeso e
forma un ampio disco che ruota intorno alla stella. Questi residui tendono ad ammassarsi in concrezioni sempre più grandi di polvere primordiale, il cui diametro passa da quello di un granello di
sabbia a quello di un ciottolo, fino a raggiungere
le dimensioni di un pugno. Al loro interno si trova
una dozzina di minerali, oltre ad altri atomi e molecole di vario tipo.
Quando la stella nascente si accende e investe
i circostanti ammassi di polvere e gas con il suo
fuoco, avvengono cambiamenti incredibili. Nel
nostro sistema, l’accensione del Sole avvenne quasi 4,6 miliardi di anni fa. Ondate di calore provenienti dalla stella neonata fusero e rimescolarono
gli elementi, producendo una grande quantità di
nuovi minerali. Tra i cristalli sintetizzati in questa primissima fase dell’evoluzione ci sono le leghe di ferro e nichel, i solfuri, i fosfuri e una lunga serie di ossidi e silicati. Molti di questi minerali
sono presenti nelle meteoriti più antiche sotto for-
u Condrite (meteorite)
ma di «condrule», gocce di roccia fusa e ricongelata. (Queste antiche meteoriti condritiche
provano inoltre l’esistenza di minerali antecedenti alle condrule. Questi minerali si
presentano infatti come granuli microscopici e nanoscopici all’interno delle meteoriti.)
Nell’antica nebulosa solare, le
condrule si ammassarono e formarono rapidamente i planetesimi, alcuni dei quali raggiunsero un diametro di oltre 160 chilometri, sufficiente
per fondersi parzialmente e differenziarsi in strati di minerali diversi disposti intorno a un nucleo metallico denso. Le frequenti collisioni che
avvenivano nell’affollata periferia della nebulosa producevano immani onde d’urto, e generavano ancora più calore, alterando ulteriormente
i minerali dei planetesimi più grandi. Anche l’acqua svolse un ruolo importante. Questo elemento era stato sempre presente fin dall’inizio sotto
forma di particelle di ghiaccio. Nei planetesimi,
il ghiaccio si fuse e l’acqua liquida si concentrò
all’interno di crepe e spaccature, innescando reazioni chimiche grazie alle quali vennero sintetizzati nuovi minerali.
Durante il processo dinamico di formazione dei
pianeti vennero sintetizzate forse 250 specie di minerali. Questi 250 minerali sono il materiale grezzo da cui ogni pianeta roccioso si deve formare e
ancora oggi si trovano tutti nei vari meteoriti che
colpiscono il nostro pianeta.
501 maggio 2010
La Terra nera
Biophoto Associates/Photo Researchers, Inc. (lepidolite); Scientifica/Getty Images (berillo); Jacana Photo Researchers, Inc. (tormalina)
t Cristalli di olivina all’interno di una pallasite (meteorite)
4,4 MILIARDI DI ANNI FA: durante l’eone Adeano la superficie della Terra è priva di vita ed è ricoperta di
basalto nero, una roccia formata dal magma fuso e dalla lava. Nei successivi 2 miliardi di anni nascono
circa 1500 minerali. Le ripetute fusioni parziali a cui è soggetta la roccia concentrano gli elementi più rari e
dispersi, come il litio (presente nella lepidolite), il berillio (nel berillo) e il boro (nella tormalina). Anche le reazioni
chimiche e l’erosione dovute ai primi oceani e all’atmosfera anossica contribuiscono. I movimenti tettonici
portano in superficie i minerali formatisi ad alte pressioni, come la giadeite.
t Zircone
Cortesia Teaching Company (Hazen); Ron Miller (illustrazioni); Museo di storia naturale, Londra (pallasite);
Scientifica/Getty Images (zircone); Massimo Brega/Photo Researchers, Inc. (condrite)
Durante i 4,6 miliardi di anni trascorsi
dalla formazione del sistema solare, il
numero di minerali è passato dalla
dozzina della nebulosa presolare agli
oltre 4400 della Terra attuale. Il nostro
pianeta ha attraversato una serie di
fasi, rappresentate nell’immagine a
destra e nelle pagine seguenti,
durante le quali i minerali si sono
formati seguendo una serie di
processi diversi. Alcuni di questi
processi hanno prodotto minerali
completamente nuovi, mentre altri
hanno diffuso su tutto il pianeta
minerali già esistenti ma rari.
La Terra primordiale continuò a crescere. I planetesimi più grandi assorbirono migliaia di planetesimi più piccoli, fino a quando rimasero solo due
corpi rocciosi a contendersi l’attuale orbita terrestre: la proto-Terra e un oggetto molto più piccolo, delle dimensioni di Marte, chiamato Theia, dal
nome greco della madre della Luna. In un finale di
violenza inimmaginabile, Theia colpì la proto-Terra, vaporizzandone gli strati più esterni e immettendo 100 miliardi di miliardi (1020) di tonnellate di
vapori di roccia incandescenti nello spazio, da cui
si sarebbe formata la Luna. Questo scenario spiegherebbe inoltre l’alto momento angolare del sistema Terra-Luna e molte caratteristiche insolite del
satellite, tra cui la sua composizione interna, simile a quella del mantello terrestre (lo strato spesso
3200 chilometri che si estende dal nucleo di ferronichel fino alla crosta, spessa da 5 a 50 chilometri).
In seguito a questa collisione, avvenuta circa
4,5 miliardi di anni fa, la Terra fusa entrò in una
fase di raffreddamento che dura ancora oggi. Sulla
superficie terrestre si trovavano numerosi elementi
rari (uranio, berillio, oro, arsenico, piombo e molti
altri) in grado di formare un grande assortimento
di minerali, tuttavia l’impatto con Theia produsse
una sorta di azzeramento cosmico che rimescolò
gli strati più esterni del pianeta e disperse questi
elementi, impedendo la formazione di cristalli. A
quell’epoca il nostro pianeta era un mondo deserto e ostile, costantemente bombardato dai residui
www.lescienze.it
t Tormalina
Ripetute
fusioni parziali
dei graniti
concentrarono
gli elementi rari
«incompatibili»
p Lepidolite
u Berillo
della nebulosa e per la maggior parte ricoperto da
uno strato di basalto nero, una roccia che oggi si
forma dalla solidificazione della lava.
La diversità mineralogica della Terra aumentò gradualmente nel corso dell’eone Adeano (durato fino a circa 4 miliardi di anni fa), soprattutto
a causa delle ripetute fusioni e solidificazioni della
crosta rocciosa, oltre che alle reazioni con oceani e
atmosfera dei primordi. In seguito a innumerevoli
cicli di parziale fusione e solidificazione delle rocce e di interazioni tra rocce e acqua (come la dissoluzione di alcuni composti), la concentrazione degli elementi meno comuni aumentò fino a formare
nuove generazioni di minerali esotici.
Non tutti i pianeti avevano le potenzialità per
formare minerali. Il piccolo e disidratato Mercurio
e l’arida Luna si raffreddarono prima che i cicli di
fusione potessero ripetersi un numero sufficiente di volte. Si stima quindi che su questi corpi celesti si possano trovare non più di 350 specie minerali diverse. Marte, al contrario, vista la discreta
quantità di acqua, potrebbe avere raggiunto valori più alti grazie a specie idrate come le argille e le evaporiti, che si formano in seguito all’evaporazione dei mari. E si stima che le sonde della
NASA potrebbero identificare fino a 500 minerali marziani.
La Terra è più grande, più calda e più umida,
e quindi ha maggiori possibilità di formazione di
minerali. Tutti i pianeti rocciosi hanno sperimentato il vulcanismo, che ne ha ricoperto di basalto
LE SCIENZE 93
La Terra rossa
La Terra bianca
t Sezione di
DUE MILIARDI DI ANNI FA: gli organismi fotosintetici immettono in atmosfera una piccola quantità di
ossigeno, alterando drasticamente le proprietà chimiche dell’atmosfera stessa. I minerali con ferro
bivalente (Fe2+), comuni nel basalto nero, vengono ossidati a composti con ferro trivalente (Fe3+), diventando
di colore rosso ruggine. Questo «grande evento di ossidazione» apre la strada alla formazione di oltre 2500
nuovi minerali, tra cui la rodonite (trovata nelle miniere di manganese) e il turchese. Alcuni microrganismi (in
verde) depositano strutture dette stromatoliti, composte da vari minerali, tra cui il carbonato di calcio.
94 LE SCIENZE
La diversità minerale della Terra aumentò ulteriormente grazie ai
processi della tettonica a placche, che
generarono nuova crosta lungo le catene vulcaniche e assorbirono quella più vecchia nelle zone di
subduzione, dove due placche si scontrano e una
viene riassorbita nel mantello. Immense quantità
di rocce umide e chimicamente diversificate vennero parzialmente fuse, causando un’ulteriore aumento della concentrazione degli elementi più rari.
Centinaia di nuovi minerali furono prodotti negli
enormi depositi di solfuri che oggi rappresentano
alcuni dei principali giacimenti metalliferi del pianeta. Altre centinaia di specie minerali comparvero
quando le forze tettoniche sollevarono ed esposero gli strati rocciosi più profondi della crosta, dove erano presenti minerali formatisi in condizioni
di alta pressione, come la giadeite (uno dei due minerali meglio conosciuti come giada).
In definitiva, durante i primi due miliardi di anni di vita del pianeta, i processi dinamici di crosta e mantello sintetizzarono sulla superficie e nelle immediate vicinanze circa 1500 nuovi minerali.
Fino a oggi però i mineralogisti hanno catalogato
oltre 4400 specie minerali. Che cosa ha fatto triplicare la diversità dei minerali terrestri?
La Terra rossa
La risposta è: la vita. La biosfera distingue la
Terra da tutti gli altri pianeti e satelliti conosciuti.
E la biosfera ha trasformato l’ambiente vicino alla
501 maggio 2010
Cortesia Alan Jay Kaufman (strati di carbonato); Ted Kinsman/Photo Researchers, Inc. (caolinite);
Science Source/Photo Researchers, Inc. (cristallo di neve)
Grazie a nuovi
tipi di alghe
in grado di
compiere
la fotosintesi, i
livelli di ossigeno
in atmosfera
aumentarono
rapidamente
le superfici, ma la Terra (e probabilmente Venere,
che ha circa le stesse dimensioni del nostro pianeta) aveva al suo interno calore a sufficienza per
fondere una seconda volta parte di quel basalto e formare una serie di rocce ignee chiamate granitoidi, tra cui anche i familiari graniti
giallo e grigio tipici dei cordoli dei marciapiedi e dei piani di lavoro delle cucine. I graniti sono miscele a grana grossa di vari minerali, tra cui
quarzo (di cui è composta la maggior parte dei granelli di sabbia), feldspato (il minerale più comune
nella crosta terrestre) e mica (con i tipici strati brillanti). Questi minerali furono prodotti inizialmente in piccole quantità nei planetesimi, ma apparvero per la prima volta in grandi quantità durante i
processi di formazione dei graniti terrestri.
Sulla Terra, le ripetute fusioni parziali dei graniti concentrarono gli elementi rari e «incompatibili»
che non trovavano una sistemazione cristallografica stabile nei minerali comuni. Le rocce risultanti
contenevano oltre 500 minerali diversi, tra cui cristalli giganti di specie ricche di litio, berillio, boro,
cesio, tantalio, uranio e una dozzina di altri elementi. Ci volle tempo (secondo alcuni scienziati
più di un miliardo di anni) per raggiungere concentrazioni di questi elementi sufficienti a formare minerali. Su Venere, pianeta gemello della Terra,
l’attività potrebbe essere stata abbastanza intensa
e prolungata da portare agli stessi risultati, ma fino
a oggi né Marte né Mercurio hanno mostrato segni
significativi di formazioni superficiali di granito.
u Turchese
Ron Miller (illustrazioni); Scientifica/Getty Images (rodonite); Ted Kinsman/Photo Researchers, Inc. (stromatolite);
E.R. Degginger/Photo Researchers, Inc. (turchese)
q Rodonite
700 MILIONI DI ANNI FA: il cambiamento climatico ricopre il pianeta di un solo minerale,
il ghiaccio, per milioni di anni. Successivamente l’anidride carbonica emessa dai vulcani
innesca un rapido riscaldamento globale, e il pianeta inizia a oscillare tra periodi caldi
e freddi. Durante le fasi calde, l’azione degli agenti atmosferici produce grandi quantità
di minerali argillosi con granuli di piccole dimensioni, come la caolinite. Negli oceani caldi
e poco profondi vengono depositati strati di carbonato alti fino a quasi due metri.
stromatolite
fossile
superficie, soprattutto gli oceani e l’atmosfera, ma
anche le rocce e i minerali.
Le prime manifestazioni di vita (organismi unicellulari primitivi che si «cibavano» dell’energia chimica delle rocce) probabilmente non hanno avuto grossi effetti sulla diversità mineralogica
della Terra. Lo confermerebbero anche alcune formazioni rocciose di origine parzialmente biologica
risalenti a 3,5 miliardi di anni fa, come le scogliere di carbonato di calcio e le banded iron formation (formazioni ferrose stratificate), nei cui ossidi di ferro, a quanto sembra, sarebbe conservato
il primo ossigeno prodotto dalla vita. La superficie
terrestre era ancora deserta, l’atmosfera era quasi
priva di ossigeno, l’effetto degli agenti atmosferici era lento e le prime forme di vita contribuivano
in misura trascurabile all’alterazione del numero e
della distribuzione dei minerali presenti.
La situazione cambiò però in un istante geologico quando, grazie alla comparsa di nuovi tipi di
alghe in grado di svolgere la fotosintesi, i livelli di
ossigeno in atmosfera aumentarono rapidamente.
Su questa transizione, chiamata «il grande evento
di ossidazione», ci sono ancora dubbi. In particolare i ricercatori non hanno stabilito con esattezza il
momento in cui iniziò il fenomeno, e a quale velocità. Ma 2,2 miliardi di anni fa l’ossigeno atmosferico raggiunse livelli superiori all’uno per cento del
valore attuale: una quantità minima, ma sufficiente a trasformare per sempre l’assetto mineralogico
della superficie terrestre.
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p Strati di carbonato
p Caolinite
u Ghiaccio
Secondo i modelli chimici che abbiamo costruito, il grande evento di ossidazione fu responsabile della formazione di oltre 2500 nuovi minerali,
molti dei quali furono il risultato dell’idratazione, ossidazione ed esposizione agli agenti atmosferici di minerali già esistenti. Difficilmente questi cristalli si sarebbero potuti formare in assenza
di ossigeno. È quindi probabile che a generare la
maggioranza delle 4400 specie minerali del pianeta abbiano contribuito, in maniera diretta o indiretta, i processi biochimici.
Gran parte di questi nuovi minerali nacquero come sottili patine di materiale alterato sulla
superficie esterna di rocce già esistenti. In effetti,
molti dei minerali più rari sono stati trovati solo in
un numero ridottissimo di cristalli di peso inferiore a un grammo. Il grande evento di ossidazione
ebbe però anche conseguenze globali. In particolare, la ruggine ricoprì l’intero pianeta. Il basalto,
infatti, virò dal normale colore nero al rosso quando il ferro bivalente (Fe2+) contenuto nei suoi minerali si ossidò in ematite e in altri composti contenenti ferro trivalente (Fe3+). Due miliardi di anni
fa, i continenti visti dallo spazio avevano probabilmente un aspetto simile a Marte, con in più gli
oceani blu e le nubi bianche.
Anche il colore rosso di Marte è dovuto all’ossidazione, ma in questo caso a produrre l’ossigeno
fu la luce solare, che dissociò l’acqua presente negli
strati più alti dell’atmosfera e liberò l’idrogeno nello spazio. Durante questo processo venne prodotLE SCIENZE 95
nati precipitarono, formando enormi strutture cristalline a ventaglio.
I cicli alternati di caldo e freddo ebbero conseguenze importanti anche sulla vita. Durante le ere
glaciali l’attività di quasi tutti gli ecosistemi venne
interrotta, mentre nei periodi caldi la produttività biologica aumentò enormemente. In particolare, alla fine dell’ultima grande glaciazione l’ossigeno atmosferico crebbe rapidamente fino al 15
per cento, prodotto in gran parte dalle estese fioriture di alghe che si verificarono vicino alle coste.
Secondo molti biologi questi livelli elevati di ossigeno furono la premessa indispensabile per la nascita e l’evoluzione dei grandi animali, caratterizzati da maggiori esigenze metaboliche. In effetti, il
più antico organismo pluricellulare conosciuto risale a soli 5 milioni di anni dopo l’ultima grande
glaciazione globale.
Geosfera e biosfera continuarono poi a coevolvere, soprattutto quando i vari microbi e animali iniziarono a produrre le proprie corazze minerali. La nascita degli scheletri di carbonato portò alla
formazione di enormi scogliere calcaree, ancora
oggi visibili in molte parti del mondo nelle falesie
e nei canyon. Questi minerali non erano nuovi, ma
loro prevalenza era senza precedenti.
La Terra verde
to abbastanza ossigeno da far arrugginire la superficie del pianeta, ma non abbastanza da produrre le
migliaia di minerali possibili sulla Terra: sul nostro
pianeta, infatti, i livelli di ossigeno erano molto più
alti, e l’attività geologica più intensa.
La Terra bianca
Nel miliardo di anni successivo al grande evento di ossidazione si verificarono pochi fatti interessanti dal punto di vista mineralogico. Questo
intervallo di tempo, chiamato anche «Oceano Intermedio», è stato un periodo di relativa stasi biologica e mineralogica. La parola «intermedio» si riferisce ai livelli di ossigeno registrati nelle acque
degli oceani: vicino alla superficie i livelli erano
relativamente alti, mentre in profondità l’ossigeno
era assente. L’interfaccia tra questi due ambienti si
spostò gradualmente sempre più in profondità, ma
in questo periodo non nacquero nuove forme di
vita fondamentali e comparirono poche specie di
nuovi minerali.
Al contrario, i successivi 100 milioni di anni furono caratterizzati da interessanti cambiamenti sulla superficie della Terra. Circa 800 milioni
di anni fa la maggior parte delle terre emerse era
concentrata in un unico grande ammasso vicino
all’equatore, chiamato Rodinia. Le forze tettoniche
ruppero questo enorme continente, incrementando l’estensione delle coste, le precipitazioni e l’erosione rocciosa: questi processi assorbirono anidride carbonica, che trattiene il calore nell’atmosfera.
96 LE SCIENZE
p Hazenite
p Aragonite
u Trilobita fossile
Con la diminuzione dell’effetto serra, il clima si
raffreddò e i ghiacci polari si estesero.
Le distese di ghiaccio e neve in continua espansione rifletterono più luce verso lo spazio, riducendo ulteriormente il riscaldamento dovuto ai raggi
solari. Più i ghiacci si espandevano, più la temperatura scendeva. Per almeno dieci milioni di anni
la Terra fu una gigantesca palla di neve, punteggiata da una manciata di vulcani attivi. Secondo
alcune stime, la temperatura media globale scese
fino a 50 gradi sotto zero.
La Terra però non rimase a lungo in questa condizione. I vulcani continuavano a emettere anidride carbonica e, non essendoci piogge o agenti atmosferici a rimuoverlo, questo gas serra aumentò
lentamente fino a livelli centinaia di volte superiori rispetto a quelli attuali, innescando un ciclo di
riscaldamento globale che sciolse i ghiacci equatoriali. Il breve episodio di surriscaldamento potrebbe essere durato anche solo poche centinaia di anni, ma trasformò il pianeta in una serra.
Nei successivi 200 milioni di anni il pianeta oscillò tra questi due estremi da due a quattro
volte. Durante questo periodo tumultuoso nacquero poche nuove specie minerali, ma la distribuzione di quelle già esistenti sulla superficie fu alterata drasticamente da ogni ciclo glaciale. Nel corso
delle fasi calde, la produzione di minerali argillosi
con granuli di dimensioni ridotte e di altri prodotti dell’erosione aumentò notevolmente. Nelle zone
poco profonde degli oceani surriscaldati i carbo501 maggio 2010
La Terra verde
Ron Miller (illustrazione); E.R. Degginger/Photo Researchers, Inc. (aragonite); cortesia Chip Clark, Smithsonian Institution,
National Museum of Natural History (trilobita); cortesia Hexiong Yang (hazenite)
400 MILIONI DI ANNI FA: sono comparsi gli organismi pluricellulari, e le piante hanno colonizzato
le terre emerse, seguite dagli animali. L’azione biochimica di piante e funghi aumenta di svariati
ordini di grandezza l’alterazione delle rocce e la produzione di argille (miscele di minerali idrati).
La superficie della Terra assume per la prima volta il suo aspetto moderno (e l’attuale distribuzione dei minerali). La
vita produce direttamente alcuni minerali come l’aragonite e la calcite (presente in moltissime strutture, dai trilobiti
allo scheletro umano), oltre ad autentiche rarità come la hazenite, prodotta da particolari microrganismi.
Per la maggior parte della sua storia, la Terra
fu un luogo inabitabile, dove le radiazioni ultraviolette provenienti dal Sole distruggevano tutte le
molecole biologiche essenziali e uccidevano quasi tutte le cellule. L’aumento dei livelli atmosferici di ossigeno portò alla formazione di uno strato
protettivo di ozono nella stratosfera che permise la
nascita della biosfera.
L’arrivo della vita sulle terre emerse richiese però
molto tempo. Nei terreni paludosi del periodo successivo alla fase glaciale vivevano probabilmente
solo alcune alghe e si dovette attendere fino a circa 460 milioni di anni fa per vedere comparire i
muschi, le prime vere piante terrestri. La colonizzazione completa dei continenti richiese altri 10 milioni di anni, durante i quali emersero le piante vascolari, con radici che penetrano il terreno roccioso
per offrire sostegno e assorbire l’acqua.
Piante e funghi introdussero nuove modalità di
alterazione biochimica delle rocce, aumentando di
un ordine di grandezza la velocità con cui venivano modificate rocce di superficie come basalto,
granito e calcare. L’abbondanza di minerali argillosi e la velocità di formazione dei suoli aumentò
enormemente, fornendo habitat sempre più abbondanti per piante e funghi più grandi e numerosi.
Circa 400 milioni di anni fa, durante il periowww.lescienze.it
do Devoniano, la superficie della Terra aveva raggiunto per la prima volta l’aspetto che conosciamo
oggi: verdi foreste popolate da una varietà sempre
più grande di insetti, tetrapodi e altre creature. Fu
quindi anche grazie alla profonda influenza della vita che i minerali terrestri raggiunsero l’attuale
stato di differenziazione e distribuzione.
Il futuro dell’evoluzione minerale
Se si guarda alla mineralogia della Terra come
a una storia dinamica e mutevole si possono trarre spunti di ricerca interessanti. Per esempio pianeti diversi raggiungono stadi diversi di evoluzione
minerale. Mondi piccoli e aridi come Mercurio e la
Luna hanno superfici semplici composte da pochi
minerali. Marte, piccolo ma dotato di acqua, riesce
a fare leggermente meglio. Pianeti più grandi come la Terra e Venere, con le loro elevate riserve di
composti volatili e di calore interno, possono spingersi oltre, fino alla formazione dei granitoidi.
Ma la presenza della vita, e la risultante coevoluzione di biologia e minerali, collocano la Terra su
un piano totalmente diverso. Come ho già sottolineato, i minerali potrebbero essere utili per identificare forme di vita di extraterrestri quanto i resti
organici. Per esempio è probabile che siano fortemente ossidati solo pianeti che ospitano la vita.
Mondi con diverse composizioni possono inoltre passare attraverso evoluzioni minerali molto
differenti. Io, una luna di Giove ricca di zolfo, e Titano, una fredda luna di Saturno satura di idrocarburi, hanno probabilmente specie minerali piuttosto diverse. Lo stesso si può dire di Europa e di
Encelado (lune di Giove e di Saturno, rispettivamente), sotto le cui superfici ghiacciate si ritiene
possano trovarsi oceani di acqua e, di conseguenza, possibili forme di vita extraterrestre.
Inoltre, vedere i minerali in un contesto evolutivo aiuta a capire meglio il concetto più generale
di evoluzione dei sistemi nel cosmo. Spesso da uno
stato semplice si passa a stati sempre più complessi: l’evoluzione degli elementi chimici nelle stelle,
l’evoluzione dei minerali sui pianeti, l’evoluzione
molecolare che porta alla vita e l’evoluzione biologica secondo la selezione naturale di Darwin.
Viviamo quindi in un universo che tende alla
complessità: gli atomi di idrogeno formano le stelle, le stelle formano gli elementi della tavola periodica, questi elementi formano i pianeti, che a loro volta formano i minerali. I minerali catalizzano
la formazione delle biomolecole, dalle quali sulla
Terra è nata la vita. In questo scenario dinamico,
i minerali rappresentano solo una delle inevitabili fasi nell’evoluzione di un universo che sta imparando a conoscere sé stesso.
n
Nella ricerca
di forme di vita
su altri mondi,
i minerali
potrebbero
essere
importanti
almeno quanto
i resti organici
➥ Letture
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The Emergence of Everything: how
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LE SCIENZE 97
