Ad un certo punto della storia antica della Terra, il pianeta è diventato abitabile quando un gruppo di microbi noti come cianobatteri ha sviluppato la fotosintesi ossigenata, la capacità di convertire la luce e l'acqua in energia rilasciando ossigeno.
Questo momento evolutivo ha reso possibile l'accumulo di ossigeno nell'atmosfera e negli oceani, causando un effetto domino di diversificazione e formando l'unico pianeta abitabile che conosciamo oggi.
Ora gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology hanno una stima accurata di quando sono emersi per la prima volta i cianobatteri e la fotosintesi ossigenata. I loro risultati sono stati pubblicati in Proceedings of the Royal Society B.
Hanno sviluppato una nuova tecnica di analisi genica che mostra che tutti i tipi di cianobatteri viventi oggi risalgono a un antenato comune apparso circa 2,9 miliardi di anni fa. Hanno anche scoperto che gli antenati dei cianobatteri si sono separati da altri batteri circa 3,4 miliardi di anni fa, e la fotosintesi ossigenata probabilmente si è evoluta più di mezzo miliardo di anni, durante l'eone Archeano.
È interessante notare che questa stima indica l'emergere della fotosintesi ossigenata almeno 400 milioni di anni prima del Grande Evento Ossidativo, il periodo in cui l'atmosfera e gli oceani della Terra hanno sperimentato per la prima volta un aumento del contenuto di ossigeno. Ciò suggerisce che i cianobatteri potrebbero aver sviluppato la capacità di produrre ossigeno precocemente, ma ci è voluto del tempo prima che questo ossigeno prendesse effettivamente piede nell'ambiente.
"L'evoluzione inizia in piccolo", afferma l'autore principale Greg Fournier, professore associato presso il Dipartimento di Geobiologia presso il Dipartimento di Terra, Atmosfera e Pianeti del MIT. "Sebbene ci siano prove per la fotosintesi ossigenata precoce, che è l'innovazione evolutiva più importante e davvero sorprendente sulla Terra, ci sono voluti centinaia di milioni di anni prima che iniziasse il suo sviluppo".
Le stime sull'origine della fotosintesi ossigenata variano ampiamente, così come i metodi per seguirne l'evoluzione.
Ad esempio, gli scienziati possono utilizzare strumenti geochimici per cercare tracce di elementi ossidati nelle rocce antiche. Questi metodi hanno scoperto che l'ossigeno era presente già 3,5 miliardi di anni fa, un'indicazione che la fotosintesi potrebbe essere stata una fonte di ossigeno, sebbene siano possibili altre fonti.
I ricercatori hanno anche utilizzato la datazione dell'orologio molecolare, che utilizza le sequenze genetiche dei microbi oggi, per tracciare i cambiamenti genetici nel corso della storia evolutiva. Sulla base di queste sequenze, gli scienziati utilizzano quindi modelli per stimare la velocità con cui si verificano i cambiamenti genetici per monitorare quando i gruppi di organismi si sono evoluti per la prima volta. Ma la datazione dell'orologio molecolare è limitata dalla qualità degli antichi fossili e dal modello di velocità scelto, che può dare diverse stime dell'età, a seconda della velocità stimata.
Greg Fournier afferma che stime di età diverse possono implicare storie evolutive contrastanti. Ad esempio, alcune analisi suggeriscono che la fotosintesi ossigenata si è sviluppata molto presto e si è evoluta "come una lenta fusione", mentre altre indicano che è apparsa molto più tardi e poi "è decollata a macchia d'olio" per innescare il Grande Evento di Ossidazione e Accumulo di ossigeno nella biosfera.
Geni orizzontali:
Per individuare la data di origine dei cianobatteri e della fotosintesi ossigenata, Fournier e i suoi colleghi hanno combinato la datazione con l'orologio molecolare con il trasferimento genico orizzontale, un metodo indipendente che non si basa interamente su fossili o ipotesi sui tassi.
Di solito, un organismo eredita un gene "verticalmente" quando viene trasmesso dal genitore. In rari casi, un gene può anche passare da una specie a un'altra specie lontanamente imparentata. Ad esempio, una cellula può mangiarne un'altra e allo stesso tempo incorporare alcuni nuovi geni nel proprio genoma.
Quando viene scoperta una tale storia di trasferimento genico orizzontale, diventa chiaro che il gruppo di organismi che ha acquisito questo gene è evolutivamente più giovane del gruppo da cui il gene ha avuto origine. Fournier credeva che tali esempi potessero essere usati per determinare le età relative tra alcuni gruppi di batteri. Le età di questi gruppi potrebbero quindi essere confrontate con le età previste da vari modelli di orologi molecolari. Il modello che si avvicina di più è probabilmente il più accurato e può quindi essere utilizzato per stimare con precisione l'età di altre specie batteriche, in particolare i cianobatteri.
Seguendo questo ragionamento, il team ha cercato casi di trasferimento genico orizzontale nei genomi di migliaia di specie batteriche, inclusi i cianobatteri. Hanno anche usato nuove colture di cianobatteri moderni per utilizzare in modo più accurato i cianobatteri fossili come calibrazioni. Alla fine, hanno identificato 34 casi chiari di trasferimento genico orizzontale. Hanno quindi scoperto che uno dei sei modelli di orologio molecolare corrispondeva costantemente alle età relative determinate dal team di analisi del trasferimento genico orizzontale.
Fournier ha utilizzato questo modello per stimare l'età del gruppo "corona" dei cianobatteri, che comprende tutte le specie che vivono oggi e che possiedono la fotosintesi dell'ossigeno. Hanno scoperto che durante l'Eone Archeano, il gruppo della corona è sorto circa 2,9 miliardi di anni fa, mentre i cianobatteri nel loro insieme si sono separati da altri batteri circa 3,4 miliardi di anni fa. Ciò suggerisce fortemente che la fotosintesi ossigenata ha avuto luogo già 500 milioni di anni prima del Grande Evento Ossidativo (GOE) e che i cianobatteri hanno prodotto ossigeno per un po' di tempo prima che iniziasse ad accumularsi nell'atmosfera.
L'analisi ha anche mostrato che poco prima del GOE, circa 2,4 miliardi di anni fa, i cianobatteri hanno sperimentato un'impennata nella diversificazione. Ciò significa che la rapida proliferazione dei cianobatteri potrebbe rilasciare ossigeno nell'atmosfera.
"Il nostro lavoro mostra che un orologio molecolare che coinvolge il trasferimento genico orizzontale (HGT) promette di fornire in modo affidabile gruppi di età in tutto l'albero della vita, anche per antichi microbi che non hanno lasciato tracce fossili ... che non era possibile prima", afferma Greg Fournier .
Lo studio è stato pubblicato su Proceedings of the Royal Society B.
2021-10-03 04:59:08
Autore: Vitalii Babkin