La questione di Gaia

 

Parte 3 di 6

 

 

L'ipotesi di Gaia fu proposta dal chimico inglese James Lovelock nei primi anni 1970, e ora si è trasformata in una teoria ricca di risultati sperimentali inaspettati. Nella presente relazione essa è assunta come quadro teorico generale in cui inserire il nostro atteggiamento nei confronti dell'inviolabilità della natura, ma prima ancora di ricordare come Lovelock giunse a concepire l'ipotesi di Gaia propongo all'attenzione del lettore (che per caso non lo conoscesse) il grafico di Figura 1.

Ritorna alla Home PageRitorna a Introduzione alla storia della chimica

 

 

Figura 1

Andamento della concentrazione

atmosferica di CO2. Osservatorio

di Mauna Loa, Hawaii

 

 

La prima volta che vidi un grafico simile a quello di Figura 1 fu in un contesto professionale, mentre stavo discutendo un certo problema con Carlo Versino, un collega e amico, docente di Chimica dell'ambiente nella mia Facoltà. Eravamo nel suo studio all'Università, e mentre parlavamo curiosavo tra le pagine di un testo trovato sulla scrivania. Non appena afferrai il senso di ciò che stavo guardando interruppi la conversazione, e chiesi all'amico-collega se ciò che 'vedevo' era veramente il 'respiro' della Terra. La scala dell'asse orizzontale del grafico era temporale (scandiva anni), mentre l'asse verticale riportava la concentrazione in ppm (parti per milione) di CO2 nell'atmosfera. La didascalia del grafico indicava il luogo delle rilevazioni, un osservatorio collocato nell'isola di Mauna Loa, Hawaii. La curva quindi indicava oscillazioni periodiche nella concentrazione di CO2, e la curva superiore, tracciata su scale amplificate, precisava che le oscillazioni erano annuali. Il fatto che le Hawaii si trovino in pieno Oceano Pacifico mi fece pensare che fossero le grandi masse d'acqua a 'respirare', sciogliendo e rilasciando di CO2 a seconda delle temperature, e quindi delle stagioni. In realtà la spiegazione è molto più complessa, in quanto interviene l'azione potente della biosfera, ossia della parte vivente (in senso stretto) del nostro pianeta.

Il grafico di Figura 1 è chiamato anche 'curva di Keeling', dal nome di David Keeling, che iniziò le sue osservazioni a Mauna Loa a partire dal 1958. Non appena si fu rivelata la presenza di questo curioso ciclo annuale, furono iniziate analoghe misurazioni in altri punti del globo. Le misure prese da navi nella parte meridionale del Pacifico dimostrarono che le oscillazioni erano minime, e che quindi responsabili del fenomeno non erano le masse oceaniche. Stime accurate esclusero subito che causa delle oscillazioni fossero le emissioni di CO2 legate alle attività umane, infatti queste emissioni sono quasi indipendenti dal ciclo stagionale. Il grafico di Figura 1 si spiega invocando il prevalere, su scala globale, dei processi di fotosintesi e di respirazione. Nell'elenco degli esseri fotosintetici rientrano ovviamente gli alberi e tutto il 'verde' vegetale, ma anche i muschi, la 'parte' di alga dei licheni, le diatomee, le alghe marine, e infine i cianobatteri, che sono assolutamente ubiquitari e si trovano nei suoli, nelle acque dolci e nei mari. Gli organismi respiratori sono tutti quelli che assumono O2 e rilasciano CO2. Fra questi esseri vi sono i grandi spazzini della Terra, i batteri aerobi che si nutrono dei detriti nei suoli e nelle immensità oceaniche, dalla superficie fino alle profondità abissali. Pure con funzioni di riciclo troviamo in questa categoria i funghi, poi i foraminiferi e radiolari dei mari e tutti gli animali, compresi noi umani (ogni giorno, respirando, l'umanità emette nell'atmosfera sette milioni di tonnellate di CO2). Ebbene, il bilancio netto del respiro globale degli esseri viventi sulla Terra è tale per cui quando nell'emisfero nord viene la primavera la 'inspirazione' di CO2, dovuta alla fotosintesi, prevale sulla 'espirazione' da parte di tutti gli esseri non fotosintetici. La globalità di questo 'respiro' è tale per cui le oscillazioni nella concentrazione di CO2 si rilevano in pieno oceano, in punti lontanissimi dalle aree continentali.

Oltre che per la sua intrinseca potenza evocativa ho richiamato la curva di Keeling perché essa descrive un fenomeno atmosferico globale dovuto all'attività della biosfera, coglie cioè un aspetto della dinamica terrestre dello stesso tipo di quello che mise Lovelock sul percorso teorico che lo condusse all'ipotesi di Gaia.

Nei primi anni 1960 Lovelock lavorava per la NASA al Caltech su un progetto assai stimolante: la possibilità di ricavare informazioni sull'esistenza o meno della vita su un pianeta a partire dalla conoscenza della composizione della sua atmosfera. Il caso specifico riguardava Marte, ma il primo passo decisivo verso Gaia fu compiuto quando con la stimolante collaborazione di Dian Hitchcock applicò al nostro pianeta le sue congetture sul rapporto fra composizione atmosferica e presenza della vita. Come sappiamo ogni essere vivente è dal punto di vista termodinamico un sistema lontano dall'equilibrio, in grado di mantenere un basso livello di entropia riversando altrove ogni inevitabile incremento. Ciò che Lovelock e Hitchcock constatarono fu appunto che l'atmosfera terrestre aveva una composizione estremamente lontana dall'equilibrio. Un caso di grande rilievo era la presenza simultanea di metano e di ossigeno. Sotto l'azione della luce solare i due gas reagiscono, dando anidride carbonica e acqua. La velocità di reazione è tale che per mantenere la concentrazione nota il metano deve essere introdotto nell'atmosfera in quantità pari a 500 milioni di tonnellate all'anno; data la costanza della concentrazione dell'ossigeno la stechiometria ci dice che 1000 milioni di tonnellate di ossigeno devono 'rimpiazzare' ogni anno la pari quantità 'bruciata' con il metano. Secondo i calcoli dei due scienziati era statisticamente impossibile che una simile dinamica avesse un'origine esclusivamente abiotica. Lovelock continuò le sue ricerche per parecchi anni, rendendo pubblica l'ipotesi di Gaia in un convegno tenuto a Princeton nel 1968 e pubblicando dopo un ulteriore decennio la sua opera fondamentale sul "nuovo modo di considerare la vita sulla Terra". In questo testo viene data una definizione di Gaia:

"Da allora [1968] abbiamo definito Gaia come una entità complessa che coinvolge la biosfera, l'atmosfera, gli oceani e il suolo della Terra; la totalità costituisce un sistema cibernetico o con retro-azione che cerca (seeks) un ambiente fisico e chimico ottimale per la vita su questo pianeta".

Uno degli aspetti più avvincenti delle ricerche su Gaia, intesa come sistema planetario, è la messa in luce, e talvolta la scoperta, di intense interazioni fra mondo inorganico e mondo vivente, così che sulla Terra la vita e la non-vita seguono percorsi intrecciati. Qui di seguito accennerò a due soli esempi, i cicli globali degli elementi e la complessa relazione che lega la fisiologia di una parte del fitoplancton con le nuvole - e con il clima terrestre.

 

 

 

Figura 2

Il metabolismo di Gaia.

Cicli del fosforo e del calcio

 

 

La Figura 2 rappresenta i cicli globali di due elementi fondamentali per la vita, il fosforo e il calcio. Di per sé sono abbastanza chiari, se si afferra che quella specie di nuvoletta che compare in alto a sinistra in ciascun ciclo vuole essere la chioma di un albero, ovvero rappresentare il mondo vegetale. Le frecce collegano i 'serbatoi' di Gaia che partecipano ai processi di riciclo: piante, suolo, rocce, fiumi; il 'serbatoio finale', gli oceani, sono sottintesi. Le frecce indicano anche la direzione dei processi, e con il loro spessore segnalano il loro diversissimo valore quantitativo; questo valore è reso numerico, in milioni di tonnellate, dalle cifre collocate vicino alle frecce. Infine l'area dei cerchi esprime il valore relativo del fosforo e del calcio 'trattenuto' rispettivamente dalle componenti organica e inorganica del suolo. Comunque sia, la presentazione grafica mette in evidenza l'enorme differenza quantitativa e qualitativa fra i due cicli. Annualmente i fiumi convogliano verso l'oceano 720 milioni di tonnellate di calcio e un magro 11 milioni di tonnellate di fosforo. Il ciclo vegetativo, dall'assunzione attraverso alle radici al decadimento nel suolo di fogli, rami e tronchi, coinvolge 620 milioni di tonnellate di calcio e 230 milioni di tonnellate di fosforo, ed è proprio rispetto a questo ciclo che si rivela la capacità essenziale della vita di creare le condizioni favorevoli al proprio sviluppo. Il calcio, abbondantemente rifornito dalle rocce, viene rilasciato in grande quantità dal sistema vivente (350 milioni di tonnellate); il fosforo, molto più raro, viene perso dal sistema vegetale con un parsimonioso valore di 5 milioni di tonnellate. Volk sottolinea l'enorme differenza fra i due casi introducendo un 'tasso di riciclo' espresso come rapporto fra la quantità dell'elemento coinvolta nel ciclo vegetativo annuale e la quantità che va 'perduta' nei fiumi. Nel caso del calcio di ha un valore di 1,1, così vicino all'unità da poter affermare che praticamente quasi tutto il calcio necessario alle piante viene rinnovato annualmente, attraverso l'introduzione nel ciclo vitale di calcio tratto dai minerali del suolo. Completamente diversa è la situazione del fosforo, il cui rapporto di riciclo è 46: questo vuol dire che un atomo di fosforo partecipa mediamente a 46 cicli vegetativi prima di iniziare a scorrere nei fiumi verso l'oceano. Come sottolinea Volk: "il sistema costituito dalla comunità biotica e dalla matrice del suolo amplifica la disponibilità del fosforo, e di conseguenza la fotosintesi, di 46 volte".

L'ultimo caso tratto dal volume di Volk riguarda la complessa funzione del dimetilsolfuro (DMS) nell'equilibrio termico del nostro pianeta. Il DMS viene prodotto in continuazione da molte specie di fitoplancton, che lo espellono come prodotto di rifiuto. Nella loro fisiologia un precursore del DMS serve al mantenimento di concentrazioni ioniche interne all'organismo differenti da quelle presenti nell'acqua di mare. Una volta emesso il DMS raggiunge l'atmosfera, dove viene rapidamente ossidato a solfato, formando un aerosol in grado di addensare l'umidità dell'aria sotto forma di nuvole. Le nuvole particolarmente ricche dell'aerosol generato dal DMS sono anche particolarmente riflettenti, così da impedire ai raggi solari di raggiungere la superficie dell'oceano. In definitiva le specie di fitoplancton che producono DMS hanno un'importante funzione di raffreddamento del pianeta.

Nel contesto generale - preoccupante - dell'aumento della temperatura media della Terra, è evidente che la ricerca sul DMS sia piuttosto attiva. Un dato certo è che, a livello evolutivo, il fitoplancton ha sviluppato quel particolare meccanismo di controllo interno, che produce DMS, per lo specifico vantaggio fisiologico che ne deriva, e non perché le singole specie traessero un particolare vantaggio evolutivo dal raffreddamento del clima. In altri termini l'evoluzione biochimica è avvenuta per motivi 'interni', senza essere influenzata dall'impatto sul clima dovuto al prodotto finale, di scarto, di quel certo meccanismo fisiologico. Per quanto riguarda l'effetto sul clima si deve ricordare che ogni variazione globale di temperatura ha un effetto assai complesso. Schematicamente un aumento di temperatura agisce vigorosamente sull'attività dei batteri del suolo, aumentando la loro capacità di favorire l'erosione dei minerali e la produzione di ioni calcio; l'aumento di ioni calcio che giungono al mare aumenta anche la quantità di CO2 'sequestrata' e precipitata nei fondali sotto forma di carbonato di calcio. Dalla diminuzione della CO2 atmosferica risultano effetti diversi. Innanzi tutto vi è un effetto antagonista all'aumento di temperatura perché diminuisce la presenza nell'atmosfera di un gas responsabile dell'effetto serra, ma la diminuzione di CO2 rallenta anche l'attività vegetativa nel suo complesso ... Lasciando la parola a Volk:

"Abbiamo così un sistema dove il DMS altera le nubi, che alterano la temperatura, che altera l'erosione, che altera la concentrazione atmosferica di anidride carbonica, che altera la vegetazione, che ri-altera l'erosione ...".

Che tutti questi fattori siano interconnessi è chiaro, quale sia il loro rapporto quantitativo e l'esito finale sulla temperatura del pianeta è oggetto di ricerca. Un valore attualmente accettabile per quanto riguarda l'abbassamento della temperatura media del pianeta dovuta all'attività del DMS è di 5,6 °C. È una cifra di grande rilievo, se si pensa che la temperatura media è attualmente di circa 15 °C, e che l'aumento di un solo grado porterebbe a variazioni climatiche e geofisiche imponenti (si pensi solo all'aumento del livello degli oceani).

Il sottotitolo del volume di Volk, Fisiologia del pianeta vivente, potrebbe indurre qualche confusione perché accresce la polarità, già forte nello stesso nome Gaia, verso l'attribuzione di una 'personalità' antropomorfa al pianeta che abitiamo, e tuttavia abbiamo visto quanto possa essere ricca di risultati l'indagine sulla 'fisiologia' di un sistema complesso quale è la Terra. Questo tipo di ricerca mette in luce alcuni fatti di grande rilievo:

(1) alla scala grandiosa dei fenomeni contribuiscono in modo fondamentale esseri viventi fra i più minuti della scala biologica, per cui ogni minaccia al loro habitat potrebbe sconvolgere l'equilibrio del pianeta;

(2) esiste un'intima e generale connessione funzionale fra le varie parti di Gaia, comunque esse siano scelte ed enumerate;

(3) a seconda dei fenomeni studiati, e dei modelli adottati, per indicare le parti di Gaia si può far riferimento a biomi (tundra, foresta tropicale, etc.), livelli trofici (produttori, erbivori, carnivori, detritivori), gilde biochimiche (organismi fotosintetici, respiratori, azotofissatori, denitrificanti), cicli degli elementi (carbonio, azoto, fosforo, etc.), componenti primari (aria, suolo, vita, oceano), domini genetici (archea, bacteria, eucaria; questi ultimi suddivisi in protisti, funghi, piante, animali);

(4) malgrado la grande mole di ricerca svolta negli ultimi due decenni le nostre conoscenze sul 'sistema Terra' presentano ancora grandi margini di incertezza.

Vale la pena ora di ricordare la definizione di |natura| che abbiamo dato all'inizio della presente ricerca: "La natura è l'insieme di enti, processi, relazioni costituito attraverso le attività percettive e le pratiche osservative dell'umanità". Le gilde biochimiche furono privilegiate da Lovelock nelle sue prime indagini su Gaia, e d'altra parte le abbiamo viste all'opera nella spiegazione data al diagramma di Keeling. Le gilde biochimiche vanno collocate fra gli 'enti' della definizione, i cicli degli elementi sono esempi di 'processi', il rapporto non più occulto fra il fitoplancton e le nuvole esemplifica quelle 'relazioni', costitutive della nostra attuale concezione della natura, che sono state messe in luce dalla ricerca scientifica più recente. Ma noi stessi, nel nostro corpo e nella nostra mente, siamo in relazione intima e profonda con la natura, come tutti noi sappiamo da mille esperienze vissute. Se questa relazione è così evidente è perché noi e il 'resto della natura' costituiamo una comunità, ed ogni membro consapevole di una comunità sente di appartenervi – e di avere degli obblighi nei suoi confronti. Il duplice richiamo, alla scienza e all'esperienza esistenziale è la premessa indispensabile per passare al punto più delicato della nostra ricerca, quello in cui esamineremo in modo problematico la violabilità della natura.

 

< precedente | indice dell'articolo | seguente >