Scoperte che potrebbero portare indietro la nascita della vita della Terra alle prime fasi dell'evoluzione planetaria
L’origine biologica dei minerali: schiacciati, bolliti e al forno
Due studi rivoluzionari: le 57 ricette della natura che hanno creato gli oltre 10.500 tipi di minerali della Terra
[4 Luglio 2022]
Due studi: “Lumping and splitting: Toward a classification of mineral natural kinds” e “On the paragenetic modes of minerals: A mineral evolution perspective”, pubblicati su American Mineralogist da Robert Hazen e Shaunna Morrison dell’Earth and Planets Laboratory della Carnegie Institution for Science (al secondo hanno collaborato Sergey Krivovichev, dell’Accademia Russa delle Scienze e Robert Downs dell’università dell’Arizona – Tucson), riportano gli affascinanti risultati di un lavoro di ricerca durato 15 anni condotto da Hazen e Morrison e descrivono dettagliatamente le origini e la diversità di ogni minerale conosciuto sulla Terra. Alla Carnegie Institution for Science lo definiscono «Un importante corpus di opere che aiuterà a ricostruire la storia della vita sul nostro pianeta, guiderà la ricerca di nuovi minerali e depositi di minerali, predicono possibili caratteristiche della vita futura e aiutano la ricerca di esopianeti abitabili e di vita extraterrestre».
Alla Carnegie Institution for Science ricordano che «Per più di un secolo, migliaia di mineralogisti di tutto il mondo hanno accuratamente documentato le “specie minerali” sulla base delle loro combinazioni uniche di composizione chimica e struttura cristallina Nella loro ricerca sostenuta dalla John Templeton Foundation, NASA Astrobiology Institute ENIGMA team e arnegie Institution for Science, Hazen e e Morrison hanno adottato un approccio diverso, evidenzioando come e quando ogni tipo di minerale è apparso in oltre 4,5 miliardi di anni di storia della Terra e i due studi decrivono dettagliatamente come hanno utilizzato un’ampia analisi di database per raggruppare insieme specie affini di minerali e distinguere nuove specie minerali in base a quando e come si sono originate, invece che basarsi eclusivamente sulle loro caratteristiche chimiche e fisiche. Un lavoro dal quale emerge che il numero di “mineral kinds” – un termine coniato nel 2020 da Hazen e Morrison – ammonta a più di 10.500, mentre l’International Mineralogical Association riconosce circa 6.000 specie minerali solo sulla base della struttura cristallina e della composizione chimica.
Hazen.< spiega che «Questo lavoro cambia radicalmente la nostra visione della diversità dei minerali sul pianeta. Ad esempio, oltre l’80% dei minerali della Terra sono stati mediati dall’acqua, che è, quindi, di fondamentale importanza per la diversità minerale su questo pianeta. Per estensione, spiega uno dei motivi principali per cui la Luna, Mercurio e persino Marte hanno molte meno specie minerali della Terra. Ci dice anche qualcosa di molto profondo sul ruolo della biologia. Un terzo dei minerali della Terra non si sarebbe formato senza la biologia – gusci, ossa e denti, o microbi, per esempio – o il ruolo indiretto vitale della biologia – soprattutto creando un’atmosfera ricca di ossigeno che ha portato a 2.000 minerali che diversamente non si sarebbero formati. Ogni esemplare di minerale ha una storia. Ognuno racconta una storia. Ciascuno è una capsula del tempo che rivela il passato della Terra come nient’altro».
Secondo i due studi, «La natura ha creato il 40% delle specie minerali della Terra con più di un metodo, ad esempio, molti minerali sono nati sia abioticamente che con un aiuto da parte degli organismi viventi e in molti casi più di 15 diverse “ricette” hanno prodotto la stessa struttura cristallina e composizione chimica».
Delle 5.659 specie minerali esaminate dal gteam di ricercatori, 9 sono nate attraverso 15 o più percorsi originari, ognuno dei quali incorpora varie combinazioni di processi fisici, chimici e biologici, dalla formazione quasi istantanea da fulmini o meteoriti, ai cambiamenti causati dall’acqua, interazioni rocciose o trasformazioni ad alta pressione e ad alta temperatura che hanno avuto luogo nel corso di centinaia di milioni di anni.
E gli scienziati raccontano che «Come per mostrare senso dell’umorismo, negli ultimi 4,56 miliardi di anni, la natura ha usato 21 modi diversi i per creare la pirite, nota anche come Fool’s Gold, la maggior parte delle origini di qualsiasi minerale. La pirite, composta da una parte di ferro e due parti di solfuro, è così stabile che si forma in un’enorme varietà di circostanze, inclusi meteoriti, vulcani, depositi idrotermali, per pressione tra strati di roccia, alterazione rocciosa vicino alla superficie, in precipitazioni microbiche depositi e attraverso diversi processi associati all’estrazione mineraria».
Per giungere alle loro rivoluzionarie conclusioni, Hazen e Morrison hanno realizzato un database di ogni processo noto di formazione di ogni minerale conosciuto. Basandosi su grandi database minerari open-access e confrontandoli con migliaia di articoli di ricerca primaria sulla geologia delle località minerarie in tutto il mondo, hanno identificato 10.556 diverse combinazioni di minerali e modalità di formazione.
Hazen, che nel 2021 è stato premiato cion la medaglia dell’International Mineralogical Association (IMA) per i suoi eccezionali risultati nella chimica dei cristalli minerali, in particolare nel campo dell’evoluzione dei minerali, fa notare che «Nessuno aveva mai intrapreso prima questo compito enorme. In questi documenti gemelli, stiamo portando avanti i nostri migliori sforzi per gettare le basi per un nuovo approccio al riconoscimento di diversi tipi di minerali. Accogliamo con favore le intuizioni, le aggiunte e le versioni future della comunità mineralogica».
Queste le principali conclusioni delle osservazioni dei due studi:
L’acqua ha svolto un ruolo dominante nella diversità minerale della Terra, è stata coinvolta nella formazione di oltre l’80% delle specie minerali.
La vita ha svolto un ruolo diretto o indiretto nella formazione di quasi la metà delle specie minerali conosciute, mentre un terzo dei minerali conosciuti – più di 1.900 specie – si è formato esclusivamente come conseguenza di attività biologiche.
Gli elementi rari svolgono un ruolo sproporzionato nella diversità minerale della Terra. Solo 41 elementi, che insieme costituiscono meno di 5 parti per milione di crosta terrestre, sono costituenti essenziali in circa 2.400 (più del 42%) dei minerali della Terra. I 41 elementi includono arsenico, cadmio, oro, mercurio, argento, titanio, stagno, uranio e tungsteno.
Gran parte della diversità minerale della Terra si è formata entro i primi 250 milioni di anni del pianeta.
Si pensa che circa 296 minerali conosciuti siano anteriori alla Terra stessa, di cui 97 sono conosciuti solo dai meteoriti, con l’età di alcuni singoli grani di minerali stimata in 7 miliardi di anni, ovvero miliardi di anni prima dell’origine del nostro Sistema Solare.
I minerali più antichi conosciuti sono minuscoli cristalli di zircone durevoli che hanno quasi 4,4 miliardi di anni.
Più di 600 minerali sono derivati dalle attività umane, inclusi più di 500 minerali causati dall’attività mineraria, 234 dei quali formati da incendi di miniere di carbone.
Hazen, Morrison e i loro colleghi propongono che, complementari all’elenco dei minerali approvati dall’IMA, vengano create nuove categorizzazioni e raggruppamenti sulla base della genesi di un minerale: «Ad esempio, la scienza può raggruppare 400 minerali formatisi dalla condensazione nelle fumarole vulcaniche, le aperture sulla superficie terrestre che emettono vapore e gas vulcanici».
I loro studi descrivono in dettaglio altre considerazioni sul raggruppamento e la classificazione dei minerali, come l’eone in cui si sono formati: «Ad esempio, il cosiddetto Grande Evento di Ossidazione della Terra, circa 2,3 miliardi di anni fa, ha portato alla formazione di nuovi minerali sulla superficie prossima al pianeta. E circa 4,45 miliardi di anni fa, quando l’acqua apparve per la prima volta, le prime interazioni acqua-roccia potrebbero aver prodotto fino a 350 minerali negli ambienti marini e terrestri vicini alla superficie. Sembra inoltre che centinaia di minerali diversi possano essersi formati sulla Terra prima del gigantesco impatto che ha vaporizzato gran parte della crosta e del mantello del nostro pianeta e ha portato alla formazione della Luna circa 4,5 miliardi di anni fa. Se è così, quei minerali sono stati cancellati, solo per riformarsi quando la Terra si è raffreddata e solidificata».
Alla Carnegie Institution for Science aggiungono che «Al di là delle creazioni minerali accidentali, l’umanità ha prodotto innumerevoli migliaia di composti simili a minerali che non si qualificano come minerali secondo gli standard IMA, ma si qualificano come tipi minerali secondo la metodologia di Hazen e Morrison. Questo include materiali da costruzione, semiconduttori, cristalli laser, leghe speciali, pietre preziose sintetiche, detriti di plastica e simili» e gli studi avvertono che «Tutti probabilmente persisteranno per milioni di anni nella documentazione geologica, fornendo un chiaro orizzonte sedimentario che segna la cosiddetta “Epoca Antropocenica”».
Ma ci sono anche 77 “biominerali”, che sono stati formati da una varietà di processi metabolici, questo include tutto, dai minerali derivati da coralli, conchiglie e ortiche ai minerali presenti nelle ossa, nei denti e nei calcoli renali. Altri 72 minerali provengono direttamente o indirettamente dal guano e dalle urine di uccelli e pipistrelli.
I ricercatori hanno notato che «Tra la formazione degli oceani, l’esteso sviluppo della crosta continentale e forse anche l’inizio di qualche forma iniziale del processo che ora guida la tettonica a zolle, molti importanti processi di formazione di minerali e le origini di ben 3.534 specie minerali si sono verificati nei primi 250 milioni di anni della Terra. In tal caso, la maggior parte degli ambienti geochimici e mineralogici evocati nei modelli delle origini della vita sarebbero stati presenti da 4,3 miliardi di anni fa».
Hazen, Morrison, Krivovichev e Downs concludono: «Se la vita è un imperativo cosmico che emerge in qualsiasi mondo ricco di minerali e acqua, allora questi risultati supportano l’ipotesi che la vita sulla Terra sia emersa rapidamente, di concerto con un regno minerale vibrante e diversificato, nelle prime fasi dell’evoluzione planetaria».