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Cianobatteri, fotosintesi e ossigeno atmosferico

La storia della Terra ha visto momenti in cui ci sono state svolte nell’evoluzione della vita e per la vita davvero importanti, che l’hanno portata ad essere quella che conosciamo adesso. Una di queste svolte fondamentali si ebbe durante la storia più antica del nostro Pianeta, quando si verificò una trasformazione verso l’abitabilità nel momento in cui alcuni microrganismi – i cianobatteri – svilupparono la fotosintesi, ossia la capacità di trasformare la luce e l’acqua in energia, rilasciando ossigeno nell’aria. Questo momento dell’evoluzione ha permesso all’ossigeno di accumularsi nell’atmosfera e negli oceani, dando origine a un effetto domino di diversificazione della vita fino ad avere quella così complessa dei nostri giorni.

Una ricerca condotta da scienziati del MIT, e i cui risultati sono pubblicati su Proceedings of the Royal Society B, ha portato alla scoperta del momento in cui sono apparsi i cianobatteri capaci di fotosintesi. Un risultato ottenuto grazie a una particolare tecnica di analisi genetica – sviluppata dagli stessi ricercatori – che mostra che tutte le specie di cianobatteri oggi viventi possono essere fatte risalire a un antenato comune di circa 2,9 miliardi di anni fa. Lo studio ha inoltre permesso di scoprire che gli antenati dei cianobatteri si sono separati da altri batteri circa 3,4 miliardi di anni fa e che la fotosintesi probabilmente si è evoluta in quell’intervallo di tempo, tra 3,4 e 2,9 miliardi di anni fa, nel periodo geologico chiamato Archeano.

Una crescita lentissima. Questa nuova stima della nascita del processo fotosintetico lo colloca almeno 400 milioni di anni prima dell’evento noto come Grande Evento Ossidativo, il periodo in cui l’atmosfera e gli oceani della Terra hanno sperimentato per la prima volta un aumento molto significativo dell’ossigeno (leggi anche L’ossigeno e la vita sulla Terra, su focus.it). Stando alla ricerca è possibile che i cianobatteri possano avere evoluto la capacità di produrre ossigeno fin dall’inizio, ma che ci sia voluto moltissimo tempo prima che l’ossigeno prendesse davvero piede nell’ambiente. «Nell’evoluzione le cose iniziano sempre in piccolo: sebbene ci siano prove della prima fotosintesi, in realtà ci sono voluti centinaia di milioni di anni perché potesse decollare», commenta Greg Fournier, professore associato di geobiologia presso il Dipartimento di Scienze della Terra, dell’atmosfera e dei pianeti del MIT e principale autore della ricerca.

Focus 323 (settembre 2019)

Vari metodi di ricerca. Le stime sull’origine della fotosintesi variano largamente, così come i metodi per seguire la sua evoluzione. I ricercatori, ad esempio, possono utilizzare strumenti geochimici per cercare tracce di elementi ossidati presenti nelle rocce antiche. Questo metodo ha portato alla scoperta di indizi dell’esistenza dell’ossigeno 3,5 miliardi di anni fa: un’evidenza che la fotosintesi potrebbe esserne stata la fonte, sebbene esistessero anche altre fonti di ossigeno. I ricercatori hanno utilizzato anche la datazione dell’orologio molecolare, metodo che utilizza la sequenza genetica dei microrganismi di oggi per ricostruire i cambiamenti nei geni nel corso della loro storia evolutiva. Sulla base di ciò i ricercatori sono in grado di stimare la velocità con cui si verificano i cambiamenti genetici, per ricostruire i momenti in cui i gruppi di organismi si sono evoluti per la prima volta. Ma la datazione dell’orologio molecolare è limitata dalla qualità degli antichi fossili su cui lavorare: tutti i sistemi hanno le loro limitazioni.

Una nuova tecnica . Per riuscire a datare con maggiore precisione l’origine dei cianobatteri e della fotosintesi, Fournier e colleghi hanno usato una nuova tecnica : hanno cioè abbinato la datazione dell’orologio molecolare con il trasferimento genico orizzontale. Per capire il metodo va detto che, normalmente, un organismo eredita un gene che si dice verticale quando viene trasmesso dall’organismo genitore al figlio; in altri casi, invece, un gene può saltare da una specie a un’altra, anche se solo lontanamente imparentata: ad esempio, una cellula può mangiarne un’altra, incorporando nel processo alcuni nuovi geni nel suo genoma.

Quando viene riscontrato questo meccanismo di trasferimento genico, solitamente il gruppo di organismi che ha acquisito il gene è evolutivamente più giovane del gruppo da cui è nato il gene. Grazie a un complesso lavoro sui cianobatteri di oggi, attraverso il quale i ricercatori hanno identificato 34 casi di trasferimenti genici orizzontali, gli scienziati sono giunti a determinare che il gruppo cui appartengono i cianobatteri che producono anche oggi fotosintesi è sorto circa 2,9 miliardi di anni fa, mentre tutti i cianobatteri si sono discostati dagli altri batteri circa 3,4 miliardi di anni fa. Questo permette di affermare che ci sono voluti 500 milioni di anni perché il meccanismo della fotosintesi diventasse così importante da trasformare l’atmosfera e dare il via al Grande Evento Ossidativo: il primo passo per arrivare alla Terra così come la conosciamo.

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