Un nuovo studio mostra che la fotosintesi ossigenata si è probabilmente evoluta tra 3.4 e 2.9 miliardi di anni fa.
Qualche tempo nella storia antica della Terra, il pianeta ha preso una svolta verso l'abitabilità quando un gruppo di microbi intraprendenti noti come cianobatteri ha sviluppato la fotosintesi ossigenata, la capacità di trasformare la luce e l'acqua in energia, rilasciando ossigeno nel processo.
Questo momento evolutivo ha reso possibile l'accumulo di ossigeno nell'atmosfera e negli oceani, innescando un effetto domino di diversificazione e modellando il pianeta abitabile che conosciamo oggi.
Adesso, CON gli scienziati hanno una stima precisa di quando si sono originati i cianobatteri e la fotosintesi ossigenata. I loro risultati sono stati pubblicati il 29 settembre 2021 nel Proceedings della Royal Society B.
Hanno sviluppato una nuova tecnica di analisi genetica che mostra che tutte le specie di cianobatteri viventi oggi possono essere fatte risalire a un antenato comune che si è evoluto circa 2.9 miliardi di anni fa. Hanno anche scoperto che gli antenati dei cianobatteri si sono ramificati da altri batteri circa 3.4 miliardi di anni fa, con la fotosintesi ossigenata che probabilmente si è evoluta durante il mezzo miliardo di anni intercorso, durante l'Eone Archeano.
Gli scienziati del MIT stimano che la fotosintesi ossigenata - la capacità di trasformare luce e acqua in energia, rilasciando ossigeno - si sia evoluta per la prima volta sulla Terra tra 3.4 e 2.9 miliardi di anni fa. Credito: MIT News, iStockphoto
È interessante notare che questa stima colloca la comparsa della fotosintesi ossigenata almeno 400 milioni di anni prima del Grande Evento di Ossidazione, un periodo in cui l'atmosfera e gli oceani della Terra hanno sperimentato per la prima volta un aumento dell'ossigeno. Ciò suggerisce che i cianobatteri potrebbero aver evoluto la capacità di produrre ossigeno all'inizio, ma che ci è voluto del tempo prima che questo ossigeno prendesse davvero piede nell'ambiente.
"Nell'evoluzione, le cose iniziano sempre in piccolo", afferma l'autore principale Greg Fournier, professore associato di geobiologia presso il Dipartimento di Scienze della Terra, dell'atmosfera e dei pianeti del MIT. "Anche se ci sono prove per la fotosintesi ossigenata precoce - che è l'innovazione evolutiva più importante e davvero sorprendente sulla Terra - ci sono voluti ancora centinaia di milioni di anni per decollare".
I coautori del MIT di Fournier includono Kelsey Moore, Luiz Thiberio Rangel, Jack Payette, Lily Momper e Tanja Bosak.
Miccia lenta o incendio?
Le stime sull'origine della fotosintesi ossigenata variano ampiamente, insieme ai metodi per tracciare la sua evoluzione.
Ad esempio, gli scienziati possono utilizzare strumenti geochimici per cercare tracce di elementi ossidati nelle rocce antiche. Questi metodi hanno trovato indizi che l'ossigeno era presente già 3.5 miliardi di anni fa, un segno che la fotosintesi ossigenata potrebbe essere stata la fonte, sebbene siano possibili anche altre fonti.
I ricercatori hanno anche utilizzato la datazione dell'orologio molecolare, che utilizza le sequenze genetiche dei microbi oggi per tracciare i cambiamenti nei geni attraverso la storia evolutiva. Sulla base di queste sequenze, i ricercatori utilizzano quindi modelli per stimare la velocità con cui si verificano i cambiamenti genetici, per tracciare quando i gruppi di organismi si sono evoluti per la prima volta. Ma la datazione dell'orologio molecolare è limitata dalla qualità dei fossili antichi e dal modello di tasso scelto, che può produrre stime di età diverse, a seconda del tasso che si presume.
Fournier afferma che diverse stime di età possono implicare narrazioni evolutive contrastanti. Ad esempio, alcune analisi suggeriscono che la fotosintesi ossigenata si è evoluta molto presto e ha progredito "come una lenta miccia", 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 l'accumulo di ossigeno nella biosfera .
"Per poter comprendere la storia dell'abitabilità sulla Terra, è importante per noi distinguere tra queste ipotesi", afferma.
Geni orizzontali
Per datare con precisione l'origine dei cianobatteri e della fotosintesi ossigenata, Fournier e i suoi colleghi hanno abbinato la datazione dell'orologio molecolare con il trasferimento genico orizzontale, un metodo indipendente che non si basa interamente su fossili o ipotesi sui tassi.
Normalmente, un organismo eredita un gene "verticalmente", quando viene trasmesso dal genitore dell'organismo. In rari casi, un gene può anche saltare da una specie a un'altra specie lontanamente imparentata. Ad esempio, una cellula può mangiarne un'altra e nel processo incorporare alcuni nuovi geni nel suo genoma.
Quando viene trovata una tale storia di trasferimento genico orizzontale, è chiaro che il gruppo di organismi che ha acquisito il gene è evolutivamente più giovane del gruppo da cui il gene ha avuto origine. Fournier ritenne che tali casi potessero essere usati per determinare le età relative tra certi gruppi batterici. 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 sarebbe probabilmente il più accurato e potrebbe 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 attraverso i genomi di migliaia di specie batteriche, inclusi i cianobatteri. Hanno anche usato nuove colture di cianobatteri moderni prese da Bosak e Moore, per usare più precisamente i cianobatteri fossili come calibrazioni. Alla fine, hanno identificato 34 casi chiari di trasferimento genico orizzontale. Hanno poi scoperto che uno su sei modelli di orologio molecolare corrispondeva costantemente alle età relative identificate nell'analisi orizzontale del trasferimento genico del team.
Fournier ha eseguito questo modello per stimare l'età del gruppo "corona" di cianobatteri, che comprende tutte le specie viventi oggi note per la fotosintesi ossigenata. Hanno scoperto che, durante l'Eone Archeano, il gruppo della corona ha avuto origine circa 2.9 miliardi di anni fa, mentre i cianobatteri nel loro insieme si sono ramificati da altri batteri circa 3.4 miliardi di anni fa. Ciò suggerisce fortemente che la fotosintesi ossigenata stava già avvenendo 500 milioni di anni prima del Grande Evento di Ossidazione (GOE) e che i cianobatteri producevano ossigeno da molto tempo prima che si accumulasse nell'atmosfera.
L'analisi ha anche rivelato che, poco prima del GOE, circa 2.4 miliardi di anni fa, i cianobatteri hanno sperimentato un'esplosione di diversificazione. Ciò implica che una rapida espansione dei cianobatteri potrebbe aver rovesciato la Terra nel GOE e lanciato ossigeno nell'atmosfera.
"Questo nuovo documento getta una nuova luce essenziale sulla storia dell'ossigenazione della Terra collegando, in modi nuovi, la documentazione fossile con i dati genomici, compresi i trasferimenti genici orizzontali", afferma Timothy Lyons, professore di biogeochimica presso l'Università della California a Riverside. "I risultati parlano degli inizi della produzione biologica di ossigeno e del suo significato ecologico, in modi che forniscono vincoli vitali sui modelli e sui controlli sulla prima ossigenazione degli oceani e sui successivi accumuli nell'atmosfera".
Fournier prevede di applicare il trasferimento genico orizzontale oltre i cianobatteri per definire le origini di altre specie sfuggenti.
"Questo lavoro mostra che gli orologi molecolari che incorporano i trasferimenti genici orizzontali (HGT) promettono di fornire in modo affidabile le età dei gruppi attraverso l'intero albero della vita, anche per i microbi antichi che non hanno lasciato tracce fossili ... qualcosa che prima era impossibile", dice Fournier.
Riferimento: "L'origine archeana della fotosintesi ossigenata e dei lignaggi cianobatterici esistenti" di GP Fournier, KR Moore, LT Rangel, JG Payette, L. Momper e T. Bosak, 29 settembre 2021, Proceedings della Royal Society B.
DOI: 10.1098 / rspb.2021.0675
Questa ricerca è stata supportata, in parte, dalla Simons Foundation e dalla National Science Foundation.
