Formation of Silica-Containing Thrombolites: A Case Study of Visean Limestone in Fukushima Prefecture, Japan

Profondamente sotto le onde dell'antico passato, la vita spesso lascia dietro di sé più di semplici ossa o gusci. A volte, lascia dietro di sé rocce costruite da comunità invisibili di batteri e alghe, note come microbialiti. Queste strutture viventi possono crescere in massicci monticoli stratificati o formare masse grumose e simili a spugne chiamate tromboliti. Per oltre un secolo, gli scienziati hanno studiato queste rocce per comprendere gli ambienti in cui si sono formate e i minuscoli organismi che le hanno costruite. Una domanda chiave in questo campo è stata come certe parti di queste rocce vengano riempite di silice, un materiale duro e simile al vetro. Mentre alcuni ricercatori hanno ipotizzato che determinati strati ricchi di silice nelle rocce antiche fossero costruiti direttamente da specifici tipi di organismi produttori di silice, altri si sono chiesti se questi strati si fossero formati più tardi, dopo che la roccia era stata sepolta, attraverso cambiamenti chimici nel terreno. Comprendere la differenza è cruciale perché cambia il modo in cui leggiamo la storia della vita sulla Terra; se la silice è un'aggiunta successiva, racconta una storia di reazioni chimiche piuttosto che l'attività diretta di una specifica antica creatura.

In uno studio recente, i ricercatori hanno esaminato una specifica porzione di antico calcare nella prefettura di Fukushima, in Giappone, per risolvere questo enigma. La roccia studiata risale all'età visiana, un periodo di circa 340 milioni di anni fa, quando la Terra si stava riprendendo da un'estinzione di massa e nuovi tipi di barriere coralline stavano iniziando a fiorire. Il team si è concentrato su una formazione nota come Formazione Tateishi, famosa per il suo calcare grigio scuro contenente fossili di coralli e altre creature marine. Tuttavia, i ricercatori erano meno interessati ai grandi fossili e si sono concentrati maggiormente sulla tessitura microscopica della roccia stessa. Hanno scoperto che gran parte di questo calcare è una trombolite, un tipo di roccia microbica caratterizzata da una tessitura grumosa e irregolare anziché da strati lisci. All'interno di questi grumi, hanno scoperto qualcosa di insolito: i bordi dei grumi erano ricchi di silice, e parte della roccia conteneva anche minuscoli cristalli di pirite, un minerale spesso chiamato "oro degli stolti".

Per capire come si fossero formate queste caratteristiche, il team ha raccolto decine di campioni di roccia e li ha tagliati in sezioni così sottili che la luce potesse attraversarle. Hanno poi utilizzato potenti microscopi e analizzatori chimici per mappare la distribuzione degli elementi all'interno della roccia. Ciò che hanno trovato è stato un modello chiaro: il centro delle strutture grumose era ricco di calcio, l'ingrediente principale del calcare, mentre i bordi esterni erano ricchi di silicio. Questo silicio formava uno strato distinto, talvolta spesso fino a tre millimetri, che circondava il nucleo ricco di calcio. I ricercatori hanno anche notato che i minuscoli cristalli di pirite si trovavano spesso proprio al confine dove lo strato di silicio incontrava il resto della roccia. Questa disposizione specifica suggeriva che la silice non fosse iniziata come un guscio duro costruito da un organismo. Al contrario, l'evidenza indicava un processo avvenuto dopo che la roccia era stata sepolta.

I ricercatori propongono una sequenza di eventi che spiega queste scoperte senza dover inventare nuovi tipi di organismi antichi. Suggeriscono che le strutture grumose iniziassero come densi ammassi di organismi microscopici, come minuscole alghe calcificanti e batteri. Man mano che questi organismi morivano e i loro resti venivano sepolti sotto strati di sedimenti, la materia organica all'interno dei grumi iniziava a decomporsi. Questo processo di decomposizione consumava ossigeno e rilasciava acidi, che abbassavano l'acidità dell'acqua intrappolata nei minuscoli pori della roccia. Questo calo di acidità causava la leggera dissoluzione del calcare circostante, creando più spazio. Allo stesso tempo, i cambiamenti chimici facevano sì che la silice disciolta, che galleggiava nell'acqua interstiziale, si solidificasse e precipitasse dalla soluzione. Questa silice si depositava sui bordi esterni dei grumi in decomposizione, formando il bordo duro e simile al vetro osservato dai ricercatori. La presenza di pirite supporta questa storia, poiché la pirite si forma quando i batteri decompongono la materia organica in ambienti poveri di ossigeno, rilasciando zolfo che reagisce con il ferro.

Lo studio ha esaminato anche altre strutture nella roccia, inclusi sottili strati a foglia e le superfici dei fossili di corallo. In entrambi i casi, i ricercatori hanno trovato strati simili ricchi di silice. I fossili di corallo, ad esempio, erano spesso rivestiti da un sottile guscio di silice che sembrava aver eroso la superficie originale del corallo, suggerendo che il calcare si fosse dissolto prima che la silice prendesse il suo posto. Il team ha escluso l'idea che questi strati di silice fossero stati costruiti da organismi produttori di silice come i diatomee, che non esistevano in quel periodo della storia della Terra, o dai rivestimenti appiccicosi esterni dei batteri, che avrebbero creato strati molto più sottili. Invece, l'evidenza suggerisce fortemente che gli strati di silice siano una caratteristica secondaria, una crosta chimica formata dalla decomposizione dell'originale comunità microbica.

Questa scoperta offre un nuovo modo di guardare alle rocce antiche. Suggerisce che quando gli scienziati vedono bordi ricchi di silice sulle strutture microbiche, non dovrebbero presumere automaticamente la presenza di un tipo specifico di organismo costruttore di silice. Invece, queste caratteristiche potrebbero essere il risultato di un comune processo chimico: la decomposizione della materia organica che innesca la precipitazione della silice. Questo meccanismo non richiede un ambiente unico o un gruppo speciale di organismi; può accadere ovunque la materia organica si decomponga in acqua ricca di silice. Riconoscendo che alcune delle parti dure e vetrose di queste rocce antiche sono in realtà il risultato di precoci cambiamenti chimici piuttosto che del progetto biologico originale, gli scienziati possono ricostruire meglio la vera storia delle comunità microbiche che vivevano milioni di anni fa. Lo studio conclude che le complesse tessiture di queste rocce antiche sono una combinazione delle forme di vita originali e delle reazioni chimiche che sono seguite alla loro sepoltura, un promemoria del fatto che la storia di una roccia è spesso scritta in strati di sia biologia che chimica.