Logo bio-infomedia.ro

Originile celei mai importante inovații evolutive

  • 5 octombrie 2021
  • Ecologie
Foto: SCITECHDAILY.COM
  • Un nou studiu arată că fotosinteza cu oxigen a evoluat, probabil, în urmă cu între 3,4 și 2,9 miliarde de ani, la microorganismele numite cianobacterii. Acest moment evolutiv a făcut posibil ca oxigenul să se acumuleze în atmosferă și oceane și a transformat Pământul în planeta locuibilă pe care o cunoaștem astăzi.
  • Această nouă estimare plasează apariția fotosintezei cu oxigen cu cel puțin 400 de milioane de ani înainte de Marele Eveniment de Oxidare, o perioadă în care atmosfera Pământului și oceanele au cunoscut o creștere a cantității de oxigen.

La un moment dat în istoria timpurie a Pământului, planeta a cunoscut o întorsătură spre locuibilitate atunci când un grup de microorganisme întreprinzătoare, cunoscute sub denumirea de cianobacterii, a dezvoltat fotosinteza cu oxigen - capacitatea de a transforma lumina și apa în energie, eliberând oxigen în acest proces.

Acest moment evolutiv a făcut posibil ca oxigenul să se acumuleze în atmosferă și oceane, declanșând un efect de domino al diversificării și modelând planeta locuibilă pe care o cunoaștem astăzi.

Acum, oamenii de știință de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) au o estimare precisă a momentului în care cianobacteriile și fotosinteza cu oxigen au apărut pentru prima dată. Rezultatele lor au fost publicate pe 29 septembrie 2021, în Proceedings of the Royal Society B.

Cercetătorii au dezvoltat o nouă tehnică de analiză genetică, prin care se arată că toate speciile de cianobacterii care trăiesc astăzi pot fi urmărite înapoi în timp până la un strămoș comun ce a evoluat în urmă cu aproximativ 2,9 miliarde de ani. Au descoperit, de asemenea, că strămoșii cianobacteriilor s-au desprins din alte bacterii în urmă cu aproximativ 3,4 miliarde de ani, fotosinteza cu oxigen evoluând, probabil, în timpul acestei perioade de jumătate de miliard de ani, în Arhaic.

Interesant este că această estimare plasează apariția fotosintezei cu oxigen cu cel puțin 400 de milioane de ani înainte de Marele Eveniment de Oxidare, o perioadă în care atmosfera Pământului și oceanele au cunoscut o creștere a cantității de oxigen. Acest lucru sugerează că cianobacteriile și-ar fi putut dezvolta abilitatea de a produce oxigen mai devreme, dar că a fost necesar ceva timp pentru ca acest oxigen să se acumuleze cu adevărat în mediu.

În evoluție, lucrurile încep întotdeauna cu puțin, spune autorul principal al studiului, Greg Fournier, profesor asociat de geobiologie la MIT. Chiar dacă există dovezi ale fotosintezei cu oxigen timpurii - care este singura inovație evolutivă cu adevărat importantă și uimitoare de pe Pământ - a fost nevoie de sute de milioane de ani pentru ca aceasta să prindă rădăcini.

Evoluție lentă sau evoluție fulminantă?

Estimările privind originea fotosintezei cu oxigen variază foarte mult, în funcție de metodele de urmărire a evoluției acesteia.

De exemplu, oamenii de știință pot folosi instrumente geochimice pentru a căuta urme de elemente oxidate în rocile preistorice. Aceste metode au găsit indicii că oxigenul era prezent încă de acum 3,5 miliarde de ani - un semn că fotosinteza cu oxigen ar fi putut fi sursa, deși sunt posibile și alte surse.

Cercetătorii au folosit, de asemenea, datarea cu ceas molecular, care folosește secvențele genetice ale microbilor de astăzi pentru a urmări modificările genelor în istoria evoluției. Pe baza acestor secvențe, cercetătorii folosesc apoi modele pentru a estima rata la care apar modificările genetice, pentru a urmări când au evoluat pentru prima dată grupurile de organisme. Dar datarea cu ceas molecular este limitată de calitatea fosilelor și de modelul de rată ales, care poate produce estimări diferite ale vârstei, în funcție de rata presupusă.

Fournier spune că diferitele estimări ale vârstei pot indica procese evolutive contradictorii. De exemplu, unele analize sugerează că fotosinteza cu oxigen a evoluat foarte devreme și a progresat apoi lent, în timp ce altele indică faptul că a apărut mult mai târziu și apoi evoluat fulminant, pentru a declanșa Marele Eveniment de Oxidare și acumularea oxigenului în biosferă.

Gene orizontale

Pentru a data cu precizie originea cianobacteriilor și a fotosintezei cu oxigen, Fournier și colegii săi au asociat datarea cu ceas molecular cu transferul orizontal de gene - o metodă independentă care nu se bazează în totalitate pe fosile și nu presupune rate.

În mod normal, un organism moștenește o genă pe direcție verticală, adică transmisă de la părintele organismului respectiv. În cazuri rare, o genă poate sări de la o specie la alta, specii care sunt înrudite de la distanță. De exemplu, o celulă poate mânca o altă celulă, iar în acest proces poate încorpora câteva gene noi în genomul său.

Atunci când se întâlnește un astfel de istoric al unui transfer orizontal de gene, este clar că grupul de organisme care au dobândit gena este evolutiv mai tânăr decât grupul din care a provenit gena. Fournier a argumentat că astfel de cazuri ar putea fi utilizate pentru a determina vârstele relative dintre anumite grupuri bacteriene. Vârstele pentru aceste grupuri ar putea fi apoi comparate cu vârstele pe care le estimează diferite modele ce folosesc ceasurile moleculare. Modelul care se apropie cel mai mult probabil ar fi cel mai precis și ar putea fi folosit apoi pentru a estima cu exactitate vârsta altor specii bacteriene - în special, cianobacteriile.

Urmând acest raționament, echipa a căutat cazuri de transfer orizontal de gene în genomurile a mii de specii bacteriene, inclusiv cianobacterii. De asemenea, cercetătorii au folosit noi culturi de cianobacterii de astăzi, pentru a utiliza mai precis cianobacteriile fosile ca etalon. În cele din urmă, au identificat 34 de cazuri clare de transfer orizontal de gene. Au descoperit apoi că unul din șase modele care foloseau ceasuri moleculare corespundea în mod constant vârstelor relative identificate în analiza orizontală a transferului de gene.

Fournier a rulat acest model pentru a estima vârsta grupului de cianobacterii "coroană", care cuprinde toate speciile care trăiesc astăzi și despre care se știe că prezintă fotosinteză cu oxigen. Au descoperit că, în timpul Arhaicului, grupul coroană își are originea în urmă cu aproximativ 2,9 miliarde de ani, în timp ce cianobacteriile în ansamblu s-au ramificat din alte bacterii în urmă cu aproximativ 3,4 miliarde de ani. Acest lucru sugerează cu tărie că fotosinteza cu oxigen avea loc deja cu 500 de milioane de ani înainte de Marele Eveniment de Oxidare și că cianobacteriile produceau oxigen cu destul de mult timp înainte ca acesta să se acumuleze în atmosferă.

Analiza a relevat, de asemenea, că, înainte de Marele Eveniment de Oxidare, în urmă cu aproximativ 2,4 miliarde de ani, cianobacteriile au cunoscut o explozie de diversificare. Aceasta sugerează faptul că o expansiune rapidă a cianobacteriilor ar fi putut declanșa Marele Eveniment de Oxidare și ar fi lansat oxigenul în atmosferă.

Această nouă lucrare aruncă o nouă lumină esențială asupra istoriei oxigenului pe Pământului, punând în legătură, în moduri noi, înregistrările fosile cu date genomice, inclusiv transferuri orizontale de gene, spune Timothy Lyons, profesor de biogeochimie la Universitatea din California - Riverside. Rezultatele vorbesc despre începuturile producției biologice de oxigen și semnificația sa ecologică, în moduri care oferă constrângeri vitale asupra modelelor și controalelor asupra celei mai timpurii oxigenări a oceanelor și a acumulărilor ulterioare în atmosferă.

Fournier intenționează să aplice transferul orizontal de gene dincolo de cianobacterii, pentru a stabili originile altor specii evazive.

Acest studiu arată că ceasurile moleculare care încorporează transferuri genetice orizontale promit să furnizeze în mod fiabil vârstele grupurilor din întregul arbore al vieții, chiar și pentru microbii preistorici care nu au lăsat nicio înregistrare fosilă [...] ceva ce anterior era imposibil, spune Fournier.

Source Sursa: scitechdaily.com
Text: Jennifer Chu, M.I.T.



Din aceeași categorie