Em algum ponto do início da história da Terra, o planeta se tornou habitável quando um grupo de micróbios conhecido como cianobactéria desenvolveu fotossíntese oxigenada - a capacidade de converter luz e água em energia enquanto libera oxigênio.
Este momento evolutivo possibilitou o acúmulo de oxigênio na atmosfera e nos oceanos, causando um efeito dominó de diversificação e formando o único planeta habitável que conhecemos hoje.
Agora, os cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts têm uma estimativa precisa de quando as cianobactérias e a fotossíntese oxigenada surgiram pela primeira vez. Seus resultados foram publicados em Proceedings of the Royal Society B.
Eles desenvolveram uma nova técnica de análise de genes que mostra que todos os tipos de cianobactérias que vivem hoje remontam a um ancestral comum que apareceu há cerca de 2,9 bilhões de anos. Eles também descobriram que os ancestrais das cianobactérias se separaram de outras bactérias há cerca de 3,4 bilhões de anos, e a fotossíntese oxigenada provavelmente evoluiu mais de meio bilhão de anos, durante o éon arqueano.
Curiosamente, esta estimativa aponta para o surgimento da fotossíntese oxigenada pelo menos 400 milhões de anos antes do Grande Evento Oxidativo, o período em que a atmosfera da Terra e os oceanos experimentaram pela primeira vez um aumento no conteúdo de oxigênio. Isso sugere que as cianobactérias podem ter desenvolvido a capacidade de produzir oxigênio precocemente, mas demorou um pouco para que esse oxigênio realmente se instalasse no ambiente.
“A evolução começa pequena”, diz o autor principal Greg Fournier, professor associado do Departamento de Geobiologia do Departamento de Terra, Atmosfera e Planetas do MIT. "Embora haja evidências de fotossíntese oxigenada precoce, que é a inovação evolutiva mais importante e verdadeiramente surpreendente na Terra, levou centenas de milhões de anos para começar seu desenvolvimento."
As estimativas da origem da fotossíntese oxigenada variam amplamente, assim como os métodos de rastreamento de sua evolução.
Por exemplo, os cientistas podem usar ferramentas geoquímicas para procurar vestígios de elementos oxidados em rochas antigas. Esses métodos encontraram um indício de que o oxigênio estava presente já há 3,5 bilhões de anos - uma indicação de que a fotossíntese pode ter sido uma fonte de oxigênio, embora outras fontes sejam possíveis.
Os pesquisadores também usaram a datação por relógio molecular, que usa as sequências genéticas dos micróbios hoje, para rastrear mudanças genéticas ao longo da história evolutiva. Com base nessas sequências, os cientistas usam modelos para estimar a taxa em que as mudanças genéticas estão ocorrendo para rastrear quando grupos de organismos evoluíram pela primeira vez. Mas a datação do relógio molecular é limitada pela qualidade dos fósseis antigos e pelo modelo de velocidade escolhido, que pode dar diferentes estimativas de idade, dependendo da velocidade estimada.
Greg Fournier diz que diferentes estimativas de idade podem implicar em histórias evolutivas conflitantes. Por exemplo, algumas análises sugerem que a fotossíntese oxigenada se desenvolveu muito cedo e evoluiu "como derretimento lento", enquanto outras indicam que apareceu muito mais tarde e "decolou como um incêndio" para desencadear o Grande Evento de Oxidação e Acumulação. Oxigênio na biosfera.
Genes horizontais:
Para identificar a data de origem das cianobactérias e da fotossíntese oxigenada, Fournier e seus colegas combinaram a datação do relógio molecular com a transferência horizontal de genes - um método independente que não depende inteiramente de fósseis ou suposições sobre as taxas.
Normalmente, um organismo herda um gene "verticalmente" quando ele é transmitido de seu pai. Em casos raros, um gene também pode passar de uma espécie para outra, espécies distantemente relacionadas. Por exemplo, uma célula pode comer outra e, ao mesmo tempo, incorporar alguns novos genes em seu genoma.
Quando essa história de transferência horizontal de genes é descoberta, fica claro que o grupo de organismos que adquiriu esse gene é evolutivamente mais jovem do que o grupo do qual o gene se originou. Fournier acreditava que tais exemplos poderiam ser usados para determinar as idades relativas entre certos grupos de bactérias. As idades desses grupos poderiam então ser comparadas com as idades previstas por vários modelos de relógios moleculares. O modelo que mais se aproxima é provavelmente o mais preciso e pode então ser usado para estimar com precisão a idade de outras espécies bacterianas, em particular as cianobactérias.
Seguindo esse raciocínio, a equipe procurou casos de transferência horizontal de genes nos genomas de milhares de espécies bacterianas, incluindo cianobactérias. Eles também usaram novas culturas de cianobactérias modernas para usar com mais precisão as cianobactérias fósseis como calibrações. No final, eles identificaram 34 casos claros de transferência horizontal de genes. Eles então descobriram que um dos seis padrões de relógio molecular correspondia consistentemente às idades relativas determinadas pela equipe de análise de transferência horizontal de genes.
Fournier usou este modelo para estimar a idade do grupo "coroa" de cianobactérias, que inclui todas as espécies que vivem hoje e que possuem fotossíntese de oxigênio. Eles descobriram que durante o éon arqueano, o grupo da coroa surgiu há cerca de 2,9 bilhões de anos, enquanto as cianobactérias como um todo se separaram de outras bactérias há cerca de 3,4 bilhões de anos. Isso sugere fortemente que a fotossíntese oxigenada ocorreu cerca de 500 milhões de anos antes do Grande Evento Oxidativo (GOE), e que as cianobactérias produziram oxigênio por algum tempo antes de começar a se acumular na atmosfera.
A análise também mostrou que pouco antes do GOE, cerca de 2,4 bilhões de anos atrás, as cianobactérias experimentaram um surto de diversificação. Isso significa que a rápida proliferação de cianobactérias pode liberar oxigênio para a atmosfera.
“Nosso trabalho mostra que um relógio molecular envolvendo transferência horizontal de genes (HGT) promete fornecer de forma confiável grupos de idade em toda a árvore da vida, mesmo para micróbios antigos que não deixaram registros fósseis ... o que não era possível antes,” diz Greg Fournier .
O estudo foi publicado em Proceedings of the Royal Society B.
2021-10-03 04:59:08
Autor: Vitalii Babkin