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Focus sulle origini della “più significativa innovazione evolutiva singola” della Terra

Ad un certo punto della storia antica della Terra, il pianeta ha preso una svolta verso l’abitabilità quando un gruppo di microbi avventurosi noti come cianobatteri ha sviluppato la fotosintesi ossigenata, la capacità di convertire la luce e l’acqua in energia, rilasciando ossigeno nel processo.

Questo momento evolutivo ha permesso all’ossigeno di accumularsi infine nell’atmosfera e negli oceani, innescando un effetto domino di diversificazione e formazione del pianeta unicamente abitabile che conosciamo oggi.

Ora, gli scienziati del MIT hanno una stima accurata di quando sono sorti i cianobatteri e la fotosintesi ossigenata. Le loro scoperte appaiono oggi negli Atti 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 sorto circa 2,9 miliardi di anni fa. Hanno anche scoperto che gli antenati dei cianobatteri si sono discostati da altri batteri circa 3,4 miliardi di anni fa e che la fotosintesi ossigenata probabilmente si è evoluta entro mezzo miliardo di anni durante l’Archeano.

È interessante notare che questa stima colloca l’emergere della fotosintesi ossigenata almeno 400 milioni di anni prima dell’evento della Grande Ossidazione, il 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 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. “Sebbene ci siano prove della prima fotosintesi ossigenata – l’innovazione evolutiva più importante e davvero sorprendente sulla Terra – ci sono voluti centinaia di milioni di anni per decollare”.

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I coautori del MIT di Fournier sono Kelsey Moore, Louise Tiberio-Rangel, Jack Payet, Lily Momber e Tanya Boussack.

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 esiste da 3,5 miliardi di anni – un segno che la fotosintesi dell’ossigeno potrebbe essere stata la fonte, sebbene esistano anche altre fonti.

I ricercatori hanno anche utilizzato la datazione dell’orologio molecolare, che utilizza la sequenza genetica dei microbi di oggi per tenere traccia dei cambiamenti nei geni nel corso della storia evolutiva. Sulla base di queste sequenze, i ricercatori utilizzano quindi i 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 tasso scelto, che può produrre stime di età diverse, a seconda del tasso ipotizzato.

Fournier afferma che diverse stime di età possono avere resoconti evolutivi contrastanti. Ad esempio, alcune analisi suggeriscono che la fotosintesi ossigenata si è sviluppata molto presto e si è sviluppata “come un lento stoppino”, mentre altre suggeriscono che è apparsa molto più tardi e poi “si è rotta a macchia d’olio” per innescare il Grande Evento di Ossidazione e l’accumulo di ossigeno nel bio oceano.

“Per comprendere la storia dell’abitabilità sulla Terra, è importante per noi distinguere tra queste ipotesi”, afferma.

geni orizzontali

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Per datare con precisione l’origine dei cianobatteri e della fotosintesi ossigenata, Fournier e colleghi hanno abbinato la datazione dell’orologio molecolare con il trasferimento genico orizzontale, un metodo indipendente che non dipende interamente dai fossili o dalle ipotesi sui tassi.

Normalmente, un organismo eredita un gene che è “verticale”, 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, può mangiare un’altra cellula, incorporando nel processo 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 piccolo del gruppo da cui è nato il gene. Fournier ha concluso che tali casi potrebbero essere utilizzati per determinare l’età relativa di alcuni gruppi batterici. Le età di questi gruppi possono quindi essere confrontate con le età previste da diversi modelli di orologio molecolare. Il modello più vicino 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 attraverso i genomi di migliaia di specie batteriche, inclusi i cianobatteri. Hanno anche usato nuove colture di cianobatteri moderni prese da Bossac e Moore, per usare più accuratamente i cianobatteri fossili come titoli. 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 e note per la loro capacità di fotosintetizzare l’ossigeno. Hanno scoperto che durante l’Archeano, il gruppo della corona è sorto circa 2,9 miliardi di anni fa, mentre i cianobatteri nel loro insieme si sono discostati dagli 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 molto prima che si accumulasse nell’atmosfera.

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L’analisi ha anche rivelato che poco prima del governo egiziano, circa 2,4 miliardi di anni fa, i cianobatteri hanno sperimentato un’ondata di diversificazione. Ciò significa che la rapida espansione dei cianobatteri potrebbe aver spinto la Terra nel GOE e rilasciato ossigeno nell’atmosfera.

Fournier prevede di applicare il trasferimento genico orizzontale al di fuori dei cianobatteri per identificare le origini di altre specie sfuggenti.

“Questo lavoro mostra che gli orologi molecolari che incorporano il trasferimento genico orizzontale (HGTs) promettono di fornire in modo affidabile le età della popolazione attraverso l’intero albero della vita, anche per i microbi antichi che non hanno lasciato tracce fossili … che in precedenza era impossibile”, afferma Fournier. .

Questa ricerca è stata supportata in parte dalla Simmons Foundation e dalla National Science Foundation.

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