Batteri ancestrali: l’ossigeno come risorsa metabolica prima della Grande Ossidazione

L’ossigeno, oggi elemento imprescindibile per la maggior parte delle forme di vita, non ha sempre caratterizzato l’atmosfera terrestre. La tradizionale narrazione scientifica colloca l’emergere della respirazione aerobica in un contesto di significativa presenza di ossigeno.

Tuttavia, nuove evidenze basate sull’analisi di dati multidisciplinari prospettano uno scenario in cui alcuni batteri primordiali avrebbero potuto sviluppare la capacità di metabolizzare l’ossigeno ben prima della sua diffusione su vasta scala.

Batteri antichi respiravano prima che l’ossigeno abbondasse

L’atmosfera terrestre, oggi caratterizzata da una generosa presenza di ossigeno che sostiene la complessa trama della vita come la conosciamo, non ha sempre goduto di questa composizione vitale. Per miliardi di anni, il nostro pianeta è stato avvolto da un’aria rarefatta di ossigeno libero, un ambiente radicalmente diverso da quello attuale, dove questo elemento costituisce circa il 21% del volume atmosferico.

La svolta cruciale in questa storia planetaria è tradizionalmente attribuita all’evoluzione dei cianobatteri, microrganismi acquatici pionieri che, grazie all’avvento della fotosintesi ossigenica circa 2,7 miliardi di anni fa, iniziarono a rilasciare ossigeno come sottoprodotto metabolico negli oceani primordiali. Questo ossigeno, inizialmente assorbito da minerali e materia organica disciolta, iniziò gradualmente ad accumularsi nell’atmosfera in un evento epocale noto come la Grande Ossidazione (Great Oxidation Event, GOE), un periodo di profonda trasformazione geochimica e biologica che si estese approssimativamente tra 2,4 e 2,1 miliardi di anni fa.

La GOE è stata a lungo considerata una cesura fondamentale nella storia della vita, segnando il passaggio da un mondo dominato da organismi anaerobici, capaci di prosperare in assenza di ossigeno, a un ambiente progressivamente ossigenato che aprì la strada all’evoluzione di forme di vita più complesse e metabolicamente dispendiose, come gli eucarioti.

il racconto consolidato dell’evoluzione della vita primordiale e del ruolo dell’ossigeno sta subendo una revisione alla luce di recenti e innovative ricerche scientifiche. Un team internazionale di scienziati, attraverso un approccio multidisciplinare che intreccia l’analisi di antichi registri geologici, la scarsa ma preziosa documentazione fossile e la vasta mole di dati genomici di oltre mille specie batteriche moderne, ha ricostruito l’albero evolutivo di alcune delle prime forme di vita comparse sulla Terra.

I risultati di questo ambizioso lavoro suggeriscono una sorprendente anticipazione nell’adattamento dei batteri alla presenza di ossigeno, collocando l’emergere di batteri aerobici, ovvero organismi che utilizzano l’ossigeno per la produzione di energia, molto prima dell’avvento della Grande Ossidazione. Questa scoperta sfida l’ipotesi precedentemente dominante secondo cui la vita prima del GOE fosse prevalentemente anaerobica, costringendo a riconsiderare le dinamiche evolutive e il ruolo che tracce di ossigeno, anche minime, potrebbero aver giocato negli albori della biosfera terrestre.

Svelare le linee temporali evolutive primordiali

La chiave per questa nuova interpretazione della storia della vita risiede nell’approccio metodologico sofisticato adottato dal team di ricerca. Consapevoli delle limitazioni intrinseche della documentazione fossile per i microrganismi, soprattutto per le epoche più remote, i ricercatori hanno integrato diverse linee di evidenza per ricostruire un albero evolutivo robusto per i batteri e per tracciare il momento in cui si sono verificati gli adattamenti metabolici legati all’ossigeno.

Questo approccio ha incluso un’analisi dettagliata dei registri geologici, alla ricerca di indizi indiretti sulla presenza di ossigeno in epoche antiche, l’esame delle rare testimonianze fossili di microrganismi primordiali e, soprattutto, un’analisi comparativa su larga scala dei genomi di oltre mille specie batteriche contemporanee. Un elemento centrale della loro metodologia è stata l’applicazione della riconciliazione filogenetica, una tecnica che confronta la storia evolutiva di due gruppi di organismi strettamente interconnessi per inferire tempi di divergenza e adattamenti.

Inoltre, i ricercatori hanno impiegato sofisticate tecniche di modellazione al computer per analizzare i dati e ricostruire gli scenari evolutivi più probabili. Come ha sottolineato Gergely Szöllősi, biologo evoluzionista dell’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University e coautore dello studio: “Questo approccio combinato di utilizzo di dati genomici, fossili e storia geochimica della Terra porta nuova chiarezza alle linee temporali evolutive, soprattutto per i gruppi microbici che non hanno una documentazione fossile”.

Secondo l’albero evolutivo ricostruito dal team di ricerca, l’ultimo antenato comune di tutti i batteri moderni è probabilmente esistito in un’epoca compresa tra 4,4 e 3,9 miliardi di anni fa, un periodo che precede di centinaia di milioni di anni le prime evidenze geologiche inequivocabili di una produzione significativa di ossigeno.

Implicazioni per l’evoluzione della fotosintesi ossigenica

Ancora più sorprendente è la loro stima dell’emergere di alcune linee batteriche aerobiche, datata a un periodo compreso tra 3,22 e 3,25 miliardi di anni fa, ben prima della Grande Ossidazione. Questa scoperta implica che alcuni batteri avevano già sviluppato la capacità di utilizzare l’ossigeno per il metabolismo energetico in un’epoca in cui la sua presenza nell’ambiente era probabilmente scarsa e localizzata.

Un’implicazione particolarmente affascinante di questa ricerca è che queste prime linee batteriche aerobiche potrebbero essere state gli antenati diretti dei cianobatteri. Ciò suggerisce che la capacità di metabolizzare piccole quantità di ossigeno potrebbe aver preceduto lo sviluppo della fotosintesi ossigenica, il processo che ha poi portato alla massiccia liberazione di ossigeno nell’atmosfera.

Infatti, la ricerca propone un modello evolutivo in cui l’adattamento a un ambiente con tracce di ossigeno potrebbe aver giocato un ruolo cruciale nello sviluppo, e successivamente nell’affinamento, delle complesse vie metaboliche fotosintetiche dei cianobatteri.

In questo scenario, l’esposizione a piccole quantità di ossigeno potrebbe aver esercitato una pressione selettiva che ha favorito l’evoluzione di meccanismi di difesa contro la sua tossicità e, parallelamente, lo sviluppo di enzimi capaci di sfruttare l’energia derivante dalle reazioni ossidative, preparando in qualche modo il terreno per l’avvento della fotosintesi ossigenica su larga scala e per la conseguente trasformazione dell’atmosfera terrestre durante la Grande Ossidazione.

Questa nuova prospettiva ribalta la visione tradizionale, suggerendo che l’ossigeno, lungi dall’essere unicamente un prodotto della fotosintesi cianobatterica, potrebbe aver anche agito come un motore evolutivo, plasmando le capacità metaboliche di questi stessi batteri pionieri e, di conseguenza, il destino dell’atmosfera del nostro pianeta.

Lo studio è stato pubblicato su Science.