Le prime forme di vita molto probabilmente avevano un metabolismo che trasformava la Terra primordiale, come avviare il ciclo del carbonio e produrre la maggior parte dell'ossigeno del pianeta attraverso la fotosintesi. Circa 3,5 miliardi di anni fa, la Terra sembra essere già stata ricoperta di oceani liquidi, ma il sole in quel momento non era luminoso o abbastanza caldo da sciogliere il ghiaccio. Per spiegare come gli oceani sono rimasti non congelati, è stato suggerito che i gas serra come il metano hanno prodotto il riscaldamento nella prima atmosfera, proprio come fanno oggi nel riscaldamento globale.

Il metano naturale è prodotto principalmente da un gruppo di microbi, archaea metanogeno, attraverso un metabolismo chiamato metanogenesi. Mentre ci sono alcune prove dai dati sugli isotopi di carbonio che fonti di metano antiche come 3,5 miliardi di anni potrebbero essere state di origine biologica, fino ad ora non c'erano prove concrete che i microbi produttori di metano esistessero abbastanza presto nella storia della Terra da essere responsabili del riscaldamento della Terra primitiva.

Ora, in un articolo pubblicato sulla rivista Natura Ecologia ed Evoluzione , Jo Wolfe, un postdoc presso il Dipartimento della Terra, Scienze atmosferiche e planetarie (EAPS) al MIT, e Gregory Fournier, un assistente professore in EAPS, riportano un nuovo lavoro che combina i dati di trasferimento genico orizzontale con la documentazione fossile microbica che ha permesso loro di stimare le età assolute per i microbi produttori di metano sulla linea temporale geologica.

La paleontologia incontra la genetica

Wolfe è un paleontologo specializzato in come le specie animali fossili e viventi sono correlate nell'albero della vita. Fournier è specializzato nell'esplorazione di come i genomi di organismi viventi possono essere utilizzati per studiare l'evoluzione precoce dei microbi. Risolvere questo puzzle richiedeva entrambe le aree di competenza.

"Tracce di prove chimiche suggeriscono che il metano e i microbi che lo hanno prodotto potrebbero essere stati presenti, ma non sapevamo se gli archaea metogenici fossero effettivamente presenti in quel momento, "dice Wolfe.

Per collegare i dati fossili e genomici, Wolfe e Fournier hanno usato genomi di microbi viventi che conservano una traccia della loro storia antica. Queste sequenze di DNA sono accessibili attraverso l'analisi filogenetica e confrontate tra loro, spiegano i ricercatori, per trovare il miglior "albero" ramificato che ne descriva l'evoluzione. Mentre si torna indietro lungo questo albero, i rami rappresentano lignaggi sempre più antichi di microbi che sono esistiti nella profonda storia della Terra. I cambiamenti lungo questi rami possono essere misurati, producendo un orologio molecolare che calcola la velocità di evoluzione lungo ogni ramo, e, da quello, una stima probabilistica dei tempi relativi e assoluti degli antenati comuni all'interno dell'albero. Un orologio molecolare richiede fossili, però, che mancano ai metanogeni.

Calibrare l'albero della vita

Per risolvere questa difficoltà, Wolfe e Fournier sfruttarono i trasferimenti genici orizzontali, o scambi di materiale genetico tra gli antenati di diversi gruppi di organismi. A differenza della trasmissione verticale del DNA dal genitore alla prole, che è il modo in cui viene ereditata la maggior parte dei geni umani, i trasferimenti orizzontali possono trasmettere geni tra microrganismi lontanamente imparentati. Hanno scoperto che i geni sono stati donati da un gruppo all'interno dell'archaea metanogenico all'antenato di tutti i cianobatteri fotosintetici che producono ossigeno, che hanno alcuni fossili. Usando i trasferimenti genici e i fossili di cianobatteri insieme, sono stati in grado di vincolare e guidare l'orologio molecolare dei produttori di metano, e ha scoperto che i microbi produttori di metano avevano effettivamente più di 3,5 miliardi di anni, supportando l'ipotesi che questi microbi potrebbero aver contribuito al riscaldamento globale precoce.

"Questo è il primo studio a combinare i trasferimenti di geni e i fossili per stimare l'età assoluta dei microbi sulla linea temporale geologica, " Fournier dice. "Conoscere le età dei gruppi microbici ci permette di espandere questo potente approccio per studiare altri eventi nella prima evoluzione planetaria e ambientale, ed eventualmente, per costruire una scala temporale per l'albero di tutta la vita".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.