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Comparsa precoce della fotosintesi

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Si è sempre pensato che l’evoluzione della fotosintesi clorofilliana sia un punto fondamentale per la comparsa della vita complessa. La fotosintesi, quel processo fotochimico che produce il prezioso ossigeno, secondo una corrente di pensiero, avrebbe impiegato miliardi di anni per evolvere.

Se invece questo processo si è evoluto di pari passo con la vita, allora anche altri pianeti potrebbero aver sviluppato vita complessa molto più in fretta di quanto ritenuto fino ad oggi.

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Un gruppo di ricerca guidato da scienziati dell’Imperial College di Londra, ha trovato le proteine alla base dell’evoluzione della fotosintesi risalenti all’origine della vita batterica sul nostro pianeta. I risultati dello studio sono pubblicati e liberamente consultabili in BBA – Bioenergetics.

Secondo il Dr. Tanai Cardona, direttore capo del Dipartimento di Scienze della Vita dell’Imperial, in passato era stato dimostrato che il sistema biologico con il quale si ottiene la produzione di ossigeno, chiamato Photosystem II, era estremamente vecchio, ma fino ad ora non eravamo stati in grado di collocarlo sulla corretta linea temporale della storia dell’evoluzione della vita.

Ora invece, aggiunge il Dr Cardona, sappiamo che Photosystem II possiede modelli di evoluzione che di solito sono attribuiti solo ai più antichi enzimi conosciuti, che sono stati fondamentali per l’evoluzione della vita stessa.

Evoluzione della fotosintesi e produzione precoce di ossigeno

La fotosintesi trasforma la luce del Sole in energia. Essa può esistere in due forme differenti: nella prima forma la fotosintesi è capace di avviare la produzione di ossigeno (fotosintesi ossigenata), nella seconda non produce ossigeno. In genere si presume che la fotosintesi in grado di avviare la produzione di ossigeno si sia evoluta più tardi, con l’emergere delle forme di vita chiamate cianobatteri, dette anche alghe blu-verdi, circa 2,5 miliardi di anni fa.

Mentre alcune ricerche hanno suggerito che le forme di fotosintesi in grado di produrre ossigeno potrebbero essere esistite prima di quell’epoca, era in generale considerata un’innovazione che ha impiegato almeno due miliardi di anni per evolversi sulla Terra.

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Lo studio condotto dagli scienziati dell’Imperial College indica che gli enzimi in grado di effettuare il processo alla base della fotosintesi ossigenata, cioè scindere l’acqua in nei suoi elementi costituenti idrogeno e ossigeno, potrebbero effettivamente essere stati presenti in alcuni dei batteri più antichi. 

Le prime tracce della presenza di vita sulla Terra risalgono a più di 3,4 miliardi di anni fa e alcuni studi hanno evidenziato che la “prima vita” potrebbe essersi evoluta circa 4,0 miliardi di anni fa. La prima versione della fotosintesi ossigenata potrebbe essere stata molto semplice e poco efficiente; poiché come i primi occhi percepivano solo la luce, la prima versione della fotosintesi potrebbe essere stata molto inefficiente e lenta.

Sul nostro pianeta sono stati necessari più di un miliardo di anni affinché le prime forma di vita mettessero a punto il processo che porta all’evoluzione dei cianobatteri e altri due miliardi di anni affinché animali e piante conquistassero la Terra.

Tuttavia, il fatto che la produzione di ossigeno sia iniziata così presto significa che anche su altri pianeti, il passaggio della vita elementare a una forma complessa avrebbe potuto avere bisogno molto meno tempo di quanto ipotizzato fino ad oggi..

Orologi molecolari

I ricercatori hanno fatto la scoperta dopo aver tracciato l’orologio molecolare della proteina alla base dell’evoluzione della fotosintesi. Il tracciamento stima il tasso di evoluzione delle proteine ​​misurando il tempo tra i momenti evolutivi noti, come l’emergere di diversi gruppi di cianobatteri o piante terrestri, che oggi incorporano una versione di queste proteine. 

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Il tasso di evoluzione calcolato viene quindi proiettato indietro nel tempo, per vedere quando le proteine ​​sono comparse per la prima volta.

Dopo di che hanno confrontato il tasso di evoluzione delle proteine ​​alla base della fotosintesi con il tasso evolutivo di altre proteine ​​ alla base dell’evoluzione della vita, comprese quelle che formano molecole di accumulo di energia nel corpo e quelle che traducono le sequenze di DNA in RNA , che si pensa abbiano avuto origine prima dell’antenato di tutta la vita cellulare presente oggi sulla Terra. 

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Le proteine ​​alla base della fotosintesi hanno mostrato modelli di evoluzione molto vicini a quelli degli enzimi più antichi. Queste similitudini sono molto antiche e suggeriscono che si siano evoluti in modo molto simile.

I ricercatori, per giungere a questi risultati hanno utilizzato una tecnica chiamata “Ricostruzione della sequenza ancestrale per prevedere le sequenze proteiche delle proteine ​​fotosintetiche ancestrali”.

Le sequenze offrono informazioni su come avrebbe funzionato l’ancestrale Photosystem II e hanno permesso di dimostrare che molti dei componenti alla base dell’evoluzione della fotosintesi ossigenata nel Photosystem II possono essere ricondotti alle prime fasi dell’evoluzione dell’enzima.

Capire l’evoluzione della fotosintesi e delle proteine alla base del processo ha diverse utilità. Può fornire una nuova visione alla ricerca della vita su altri pianeti e può essere utile ai ricercatori che lavorano alla fotosintesi per applicarla alla biologia sintetica utilizzando un tipo di chimica completamente nuovo.

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