Più di due miliardi di anni fa, la Terra era un pianeta profondamente diverso: nessuna foresta, nessun animale, nessun respiro d’aria come lo conosciamo oggi. L’atmosfera conteneva pochissimo ossigeno, e ciò che oggi consideriamo essenziale per la vita era allora un veleno per la maggior parte degli organismi. In quel mondo dominato da metano e anidride carbonica, la vita si sviluppava in ambienti estremi, spesso legati a fonti idrotermali ricche di ferro e povere di ossigeno.
Un nuovo studio offre uno sguardo raro su quegli ecosistemi ancestrali analizzando sorgenti termali giapponesi moderne, dove condizioni geochimiche particolari conservano tracce di dinamiche metaboliche simili a quelle della Terra primordiale. Gli ambienti termali funzionano come capsule del tempo, rivelando come i microbi potrebbero aver affrontato uno dei cambiamenti più radicali della storia del pianeta: l’aumento graduale dell’ossigeno nell’atmosfera.
Indice
La scoperta in un minuto
In sorgenti termali giapponesi con acque ricche di ferro e scarsa ossigenazione, ricercatori hanno identificato comunità microbiche simili a quelle della Terra primordiale. Questi ambienti fungono da analoghi naturali del periodo della Grande Ossigenazione, quando l’ossigeno divenne tossico per molte forme di vita.
Dominati da batteri ossidanti il ferro e fototrofi, i microbi sviluppano cicli biogeochimici complessi, inclusi quelli del carbonio, azoto e zolfo. Nonostante le basse concentrazioni di zolfo, emerge un ciclo criptico, segno di una rete metabolica sofisticata.
Lo studio mostra che già allora i microbi collaboravano per creare nicchie protette, permettendo a organismi sensibili all’ossigeno di sopravvivere. Queste comunità rivelano come la vita abbia affrontato uno dei cambiamenti più drammatici della storia del pianeta, non in modo passivo, ma con strategie adattive precoci ed efficaci.
La Grande Ossigenazione e la rivoluzione chimica del pianeta
Circa 2,3 miliardi di anni fa, la Terra attraversò un punto di non ritorno noto come Grande Ossigenazione (GOE). Fu un evento epocale: per la prima volta, grandi quantità di ossigeno vennero rilasciate nell’atmosfera, grazie all’attività fotosintetica di minuscoli microrganismi: le cianobatterie. Le cianobatterie utilizzavano la luce solare per scindere le molecole d’acqua, liberando ossigeno come prodotto di scarto. Un meccanismo che oggi sostiene quasi tutta la vita complessa, ma che all’epoca scatenò una catastrofe ecologica per molte forme viventi.
Prima della Grande Ossigenazione, l’ossigeno era praticamente assente. L’accumulo di ossigeno avvelenò molti organismi anaerobi, costringendo la vita a evolvere nuove strategie di sopravvivenza. Alcuni microbi impararono a tollerare l’ossigeno, altri a sfruttarlo energeticamente, mentre alcuni trovarono rifugio in nicchie ancora prive di ossigeno. Capire come si sono organizzati i primi ecosistemi è essenziale per ricostruire l’evoluzione della biosfera terrestre.
Sorgenti termali come laboratori naturali
La ricerca, guidata da Fatima Li-Hau presso l’Earth-Life Science Institute (ELSI) dell’Istituto di Scienza di Tokyo, ha analizzato cinque sorgenti termali in Giappone, localizzate a Tokyo, Akita e Aomori, e sono caratterizzate da acque ricche di ferro ferroso (Fe²⁺), basse concentrazioni di ossigeno e pH vicino alla neutralità. Le condizioni riproducono da vicino quelle degli oceani archeani, quando la vita cominciava a confrontarsi con tracce crescenti di ossigeno.
Secondo Shawn McGlynn, coautore della ricerca, le sorgenti offrono un laboratorio naturale unico per studiare il metabolismo microbico in ambienti analoghi alla transizione tra l’Archeano e il Paleoproterozoico. “I microbi in sorgenti termali simili alle condizioni della Terra primordiale ci aiutano a comprendere come potessero essere strutturati gli ecosistemi microbici primitivi, prima dell’avvento di piante, animali o di un’atmosfera ricca di ossigeno“, ha precisato McGlynn. Studio su Microbes and Environments.
I microbi dominanti e le strategie metaboliche
L’analisi ha rivelato che la maggior parte delle sorgenti è dominata da batteri microaerofili ossidanti del ferro, organismi specializzati in ambienti a basso tenore di ossigeno che trasformano il ferro ferroso (Fe²⁺) in ferro ferrico (Fe³⁺), ricavandone energia. Le cianobatterie fotosintetiche erano presenti, ma in misura minore rispetto a quanto previsto.
Un’eccezione significativa è emersa in una sorgente ad Akita, dove i microbi non si basavano sul ferro, ma su altri tipi di metabolismo. Una scoperta inaspettata, che suggerisce una maggiore varietà di strategie adattative di quanto si pensasse.
Attraverso il sequenziamento del DNA, i ricercatori hanno ricostruito oltre 200 genomi microbici completi. I dati mostrano una complessa cooperazione metabolica: i microbi ossidanti il ferro e l’ossigeno non solo sopravvivono, ma creano condizioni favorevoli anche per organismi sensibili all’ossigeno, formando comunità equilibrate.
Le comunità microbiche gestiscono cicli del carbonio e dell’azoto, e mostrano segni di un ciclo dello zolfo criptico, un sistema in cui lo zolfo viene riciclato in modo nascosto, nonostante le concentrazioni ambientali siano molto basse.
Ecosistemi resilienti in transizione
I risultati indicano che la Terra primordiale non era un pianeta in attesa passiva della fotosintesi, ma un ambiente dinamico dove i microbi già sfruttavano piccole quantità di ossigeno per costruire ecosistemi complessi. “Nonostante differenze nella geochemica e nella composizione microbica tra i siti, i nostri risultati mostrano che in presenza di ferro ferroso e ossigeno limitato, comunità di ossidanti microaerofili, fototrofi ossigenici e anaerobi coesistono stabilmente, sostenendo cicli biogeochimici sorprendentemente completi“, ha dichiarato Li-Hau.
La ricerca amplia la comprensione del funzionamento degli ecosistemi microbici durante uno dei periodi più critici della storia terrestre: la transizione da un oceano anossico e ricco di ferro a una biosfera progressivamente ossigenata.
Fonte:
- Metabolic Potential and Microbial Diversity of Late Archean to Early Proterozoic Ocean Analog Hot Springs of Japan
- Credit immagine: Fatima Li-Hau, ELSI
Dal nostro Magazine:
- Le piante gestiscono i loro microbiomi: Nuova ricerca
- Lo scambio metabolico microbico – Lo studio
- Microbi marini bloccano il metano – Lo studio
- Microbi Yellowstone scoperta energia – Lo studio
- Effetto del caldo sui microbi del suolo – Lo studio
Telegram:
