William Blake potrebbe aver visto un mondo in un granello di sabbia, ma per gli scienziati del MIT il più piccolo di tutti i batteri fotosintetici contiene indizi sull'evoluzione di interi ecosistemi, e forse anche l'intera biosfera.

La chiave è un minuscolo batterio chiamato Prochlorococcus, che è la forma di vita fotosintetica più abbondante negli oceani. Una nuova ricerca mostra che il metabolismo di questa minuscola creatura si è evoluto in un modo che potrebbe aver contribuito a innescare l'ascesa di altri organismi, per formare un ecosistema marino più complesso. La sua evoluzione potrebbe anche aver contribuito a guidare i cambiamenti globali che hanno reso possibile lo sviluppo degli organismi più complessi della Terra.

La ricerca suggerisce inoltre che la coevoluzione del Prochlorococcus e dei suoi co-organismi interdipendenti può essere vista come un microcosmo dei processi metabolici che avvengono all'interno delle cellule di organismi molto più complessi.

La nuova analisi è pubblicata questa settimana sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , in un articolo del postdoc Rogier Braakman, Il professor Michael segue, e la professoressa dell'Istituto Sallie (Penny) Chisholm, che faceva parte della squadra che ha scoperto questo minuscolo organismo e la sua influenza smisurata.

"Abbiamo tutti questi diversi ceppi che sono stati isolati da tutti gli oceani del mondo, che hanno genomi diversi e diverse capacità genetiche, ma sono tutti una specie secondo le misure tradizionali, " Chisholm spiega. "Quindi c'è questa straordinaria diversità genetica all'interno di questa singola specie che le consente di dominare aree così vaste degli oceani della Terra".

Poiché il Prochlorococcus è sia così abbondante che così ben studiato, Braakman dice che era un argomento ideale per cercare di capire "all'interno di tutta questa diversità, come cambiano le reti metaboliche? Cosa lo spinge, e quali sono le conseguenze?"

Hanno trovato una grande quantità di variazioni nella "rete metabolica" dei batteri, " che si riferisce ai modi in cui i materiali e l'energia passano dentro e fuori dall'organismo, lungo la sua filogenesi. Il fatto che cambiamenti così significativi siano avvenuti nel corso dell'evoluzione di Prochlorococcus "ti dice qualcosa di piuttosto drammatico, " lui dice, perché questi processi metabolici sono così fondamentali per la sopravvivenza dell'organismo che "è come il motore del sistema. Quindi immagina di provare a cambiare il motore della tua auto mentre guidi. Non è facile, quindi se qualcosa sta cambiando, ti sta dicendo qualcosa di significativo."

Le variazioni formano una sorta di struttura a strati, con varianti più ancestrali che vivono più in profondità nella colonna d'acqua e varianti più recenti che vivono vicino alla superficie. Il team ha scoperto che quando il Prochlorococcus ha iniziato a vivere negli strati più alti dell'oceano, dove la luce è abbondante ma il cibo è relativamente scarso, ha sviluppato un tasso di metabolismo sempre più alto. Ha assorbito più energia solare e l'ha usata per alimentare un più forte assorbimento di scarse sostanze nutritive dall'acqua, in effetti, creando un aspirapolvere più potente ma nel processo generando anche più rifiuti, dice Braakman.

Poiché le varianti più recenti aspiravano i nutrienti negli strati superficiali, più tipi ancestrali dovevano scendere a profondità maggiori dove i livelli di nutrienti rimanevano più alti, alla fine risulta nella struttura a strati vista oggi.

I composti di carbonio che costituiscono i rifiuti di Prochlorococcus a loro volta hanno fornito nutrienti che hanno guidato l'evoluzione di un altro tipo di batteri, noto come SAR11, i cui prodotti di scarto erano utili a Prochlorococcus, formando così un sistema cooperativo che avvantaggiava entrambi gli organismi. Il riciclaggio reciproco dei rifiuti rafforza la massimizzazione collettiva del tasso metabolico. "Sembra che il sistema si stia effettivamente evolvendo per massimizzare il rendimento totale" di energia, non solo quella dei singoli organismi, dice Braakman.

"Poiché ottimizzano la loro capacità di acquisire sostanze nutritive, le cellule producono più carbonio organico e finiscono per promuovere maggiori livelli di mutualismo, "Segue aggiunge.

che interdipendente, La relazione cooperativa è molto simile alla relazione tra mitocondri e cloroplasti, i due tipi di subunità che forniscono l'energia all'interno delle cellule di tutte le forme di vita vegetale, dice Braakman. I cloroplasti raccolgono energia dalla luce solare e la usano per formare composti chimici che trasferiscono energia ai mitocondri, che a sua volta può rilasciare e trasferire carbonio ed energia ai cloroplasti e al resto della cellula, attraverso percorsi molto simili a quelli utilizzati da Prochlorococcus e SAR11.

Anche altre caratteristiche dei due sistemi sono molto simili, compresi i loro pigmenti fotosintetici e come affrontano la disintossicazione dal perossido di idrogeno. Ciò suggerisce che processi evolutivi paralleli abbiano prodotto lo stesso risultato in ambienti molto diversi. "Le cellule vegetali sembrano davvero ecosistemi microbici oceanici microscopici, " lui spiega.

In parte a causa di quei paralleli, Braakman afferma che questa dinamica potrebbe potenzialmente descrivere l'evoluzione della biosfera più in generale. Egli suggerisce che le descrizioni matematiche dell'evoluzione di Prochlorococcus, che lui e Follows hanno sviluppato insieme, emergono dai principi di base della cinetica e della termodinamica e quindi potrebbero fornire alcune intuizioni anche su altri sistemi. "Potrebbe essere un tipo universale di dinamica, " lui dice.

"Questo quadro può anche aiutarci a modellare le interazioni della vita, luce del sole, e la chimica dell'oceano su scala oceanica, "Segue dice.

L'evoluzione metabolica del Prochlorococcus potrebbe aver avuto un altro importante effetto:attraverso un complesso ciclo geochimico che coinvolge i composti di carbonio prodotti dal microbo e le loro interazioni con il ferro, i batteri potrebbero aver contribuito a un aumento significativo dell'ossigeno nell'atmosfera terrestre circa mezzo miliardo di anni fa, da livelli molto bassi fino a livelli quasi moderni. Si ritiene che questo importante aumento dell'ossigeno abbia scatenato una rapida esplosione di nuove specie, nota anche come esplosione del Cambriano, che ha visto la nascita della maggior parte dei principali phyla animali.

Cosa suggerisce questa analisi, lui dice, "è quello che sembra un processo evolutivo direzionale, che sta marciando costantemente verso una direzione in cui sta aumentando il flusso di energia attraverso il sistema. Una delle conseguenze di ciò è che poi l'ossigeno ha finito per salire nell'atmosfera, e la complessità dell'ecosistema è aumentata".

Molte teorie evoluzionistiche enfatizzano la competizione, Braakman dice, dove "ci sono risorse limitate e stiamo tutti combattendo per loro. Ma ciò che questa dinamica evolutiva sta dicendo è che è un modo per aumentare le risorse per l'intero sistema, quindi tutti stanno meglio. Aumenta le risorse totali del sistema."

Questo lavoro, Chisholm dice, dimostra che "devi davvero pensare all'evoluzione a tutte queste scale, per capirlo. Non si tratta solo di un mucchio di geni egoisti che saltano in giro. Se vuoi comprendere la vita in tutte le sue dimensioni, devi guardare i geni, ma anche fino agli ecosistemi. Niente di tutto ciò avrà senso se non lo guardi a tutte quelle scale".

L'"integrazione innovativa della filogenesi, fisiologia, e la genomica apre nuove strade per la ricerca sull'evoluzione del fitoplancton, mentre stimolando nuove riflessioni sulla coevoluzione a lungo termine della Terra e della vita, "dice Andrew Knoll, professore di storia naturale all'Università di Harvard, che non era collegato a questa ricerca.