Gli scienziati credono da tempo che esista una relazione diretta tra l’aumento dell’ossigeno nell’atmosfera, iniziato con il grande evento di ossigenazione 2,5 miliardi di anni fa, e l’emergere di organismi multicellulari grandi e complessi.

Questa teoria, l ‘”ipotesi del controllo dell’ossigeno”, suggerisce che la dimensione di questi primi organismi multicellulari era limitata dalla profondità alla quale l’ossigeno poteva diffondersi nei loro corpi. L’ipotesi fa una semplice previsione che ha avuto un impatto importante sia nella biologia evolutiva che nelle scienze della terra: l’ossigeno nell’atmosfera dovrebbe sempre aumentare la dimensione alla quale gli organismi multicellulari possono crescere.

È un’ipotesi che si è rivelata difficile da testare in laboratorio. Tuttavia, un team di ricercatori della Georgia Tech ha trovato un metodo – utilizzando l’evoluzione diretta, la biologia sintetica e la modellazione matematica – il tutto applicato a una semplice forma di vita multicellulare chiamata “ lievito di neve ”. conseguenze? Nuove importanti informazioni sui legami tra l’ossigenazione della Terra primordiale e l’emergere di grandi organismi multicellulari, tutte relative alla quantità esatta di O2 disponibile per alcuni dei nostri primi antenati multicellulari.

“L’effetto positivo dell’ossigeno sullo sviluppo multicellulare è completamente dose-dipendente: la prima ossigenazione del nostro pianeta avrebbe fortemente limitato lo sviluppo della vita multicellulare, non migliorato”, spiega Guy Ozan Bozdag, ricercatore presso la School of Biological Sciences. E l’autore principale dello studio. “L’effetto positivo dell’ossigeno sul volume multicellulare può essere ottenuto solo quando raggiunge livelli elevati”.

Il libro “Oxygen Suppression of Macroscopic Multicellular Cells” è stato pubblicato nel numero del 14 maggio 2021 di Nature Communications. I coautori di Bozdag sull’articolo sono i ricercatori della Georgia Tech Will Ratcliffe, professore associato presso la School of Biological Sciences; Chris Reinhard, Professore Associato presso la Scuola di Scienze della Terra e dell’Atmosfera; Rosen Pino, PhD. Studente della Scuola di Scienze Biologiche e Corso di Laurea Interdisciplinare in Scienze Biologiche Quantitative (QBioS); Insieme a Erik Libby, professore associato presso l’Università di Umeå in Svezia e il Santa Fe Institute nel New Mexico.

Guida il lievito a svilupparsi a tempo di record

“Stiamo dimostrando che l’effetto dell’ossigeno è più complesso di quanto immaginato in precedenza. Un aumento precoce dell’ossigeno globale dovrebbe infatti limitare lo sviluppo della molteplicità macroscopica delle cellule, piuttosto che optare per organismi più grandi e complessi”, osserva Ratcliffe.

“La gente crede da tempo che l’ossigenazione della superficie terrestre fosse benefica – alcuni sono arrivati ​​al punto di dire che è una precondizione – per lo sviluppo di organismi multicellulari grandi e complessi”, aggiunge. “Ma nessuno ha sperimentato questo in prima persona, perché non avevamo un sistema tipico in grado di subire molte generazioni in rapida evoluzione, e in grado di crescere in una gamma completa di condizioni di ossigeno”, dalle condizioni anaerobiche ai livelli moderni.

I ricercatori sono stati in grado di farlo, con il lievito di neve, semplici organismi multicellulari capaci di rapidi cambiamenti evolutivi. Modificando il loro ambiente di crescita, hanno sviluppato lievito di fiocchi di neve per oltre 800 generazioni in laboratorio con la più ampia selezione di dimensioni.

I risultati di Bozdag hanno sorpreso. “Sono rimasto sorpreso di vedere che il lievito multicellulare ha raddoppiato le dimensioni molto rapidamente quando non sono stati in grado di utilizzare l’ossigeno, mentre le popolazioni che si sono sviluppate in un ambiente moderatamente ossigenato non hanno mostrato alcun aumento di dimensioni”, afferma. “Questo effetto è forte, anche per periodi di tempo molto più lunghi”.

Le dimensioni e i livelli di ossigeno sono due fattori importanti per la crescita multicellulare

Nella ricerca del team, Ratcliffe afferma: “Un grande volume si è evoluto facilmente quando il lievito non conteneva ossigeno o molto, ma non quando l’ossigeno era presente a bassi livelli”. “Abbiamo lavorato molto per dimostrare che questa è in realtà una conseguenza abbastanza prevedibile e comprensibile del fatto che l’ossigeno, al suo limite, agisce come una risorsa – se le cellule possono accedervi, ottengono un enorme beneficio metabolico. Quando l’ossigeno è scarso, non può circolare. Così lontano negli esseri viventi, quindi c’è un incentivo evolutivo per gli organismi multicellulari a essere piccoli – consentendo alla maggior parte delle loro cellule di accedere all’ossigeno – una limitazione che non esiste quando l’ossigeno semplicemente non è presente, o quando ce n’è abbastanza da diffondersi molto più in profondità nei tessuti. ”

Il lavoro del suo gruppo non solo sfida l’ipotesi del controllo dell’ossigeno, dice Ratcliffe, ma aiuta anche la scienza a capire perché un’innovazione evolutiva evidente nel mondo degli organismi multicellulari sarebbe così piccola nel miliardo di anni dopo il Grande Evento di Ossigenazione. Ratcliffe spiega che i geologi chiamano questo periodo il “noioso miliardo” nella storia della Terra – noto anche come il periodo opaco della storia della Terra e il Medioevo della Terra – un periodo in cui l’ossigeno era presente nell’atmosfera, ma a livelli bassi, e multicellulare rimanevano organismi relativamente piccoli e semplici.

Bozdag aggiunge un’altra visione della natura unica dello studio. “Il lavoro precedente ha esaminato l’interazione tra ossigeno e volume multicellulare principalmente attraverso i principi fisici della diffusione del gas”, afferma. “Sebbene questa logica sia necessaria, abbiamo anche bisogno di uno studio completo dei principi dell’evoluzione darwiniana quando studiamo l’origine della vita complessa e multicellulare sul nostro pianeta”. Bozdag aggiunge che essere in grado di sviluppare finalmente esseri viventi attraverso molte generazioni di evoluzione ha aiutato i ricercatori a raggiungere questo obiettivo.