Quando la foschia si è accumulata nell'atmosfera della Terra Archeana, il giovane pianeta avrebbe potuto assomigliare all'interpretazione di questo artista:un punto arancione pallido. Credito:Goddard Space Flight Center della NASA/Francis Reddy
Sappiamo poco delle temperature della superficie terrestre per i primi 4 miliardi di anni circa della sua storia. Questo presenta una limitazione nella ricerca delle origini della vita sulla Terra e anche su come potrebbe sorgere anche su mondi lontani.
Ora i ricercatori suggeriscono che resuscitando antichi enzimi potrebbero stimare le temperature in cui questi organismi probabilmente si sono evoluti miliardi di anni fa. Gli scienziati hanno recentemente pubblicato i loro risultati sulla rivista, Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
"Abbiamo bisogno di una migliore comprensione non solo di come la vita si è evoluta per la prima volta sulla Terra, ma come la vita e l'ambiente terrestre si siano co-evoluti in miliardi di anni di storia geologica, " ha detto l'autrice principale Amanda Garcia, un paleogeobiologo dell'Università della California, Los Angeles. "Una simile coevoluzione sembra essere il caso di qualsiasi vita altrove nell'Universo".
Garcia e i suoi colleghi si sono concentrati sulla storia delle temperature superficiali della Terra. Le rocce offrono molti indizi per dedurre le temperature negli ultimi 550 milioni di anni nell'era del Fanerozoico, quando complesso, decollò la vita multicellulare, compreso quello umano. Però, pochi di questi "paletermometri" esistono per la prima Era Precambriana, che copre la formazione della Terra 4,6 miliardi di anni fa e l'ascesa della vita.
Prove geologiche precedenti hanno suggerito che 3,5 miliardi di anni fa, durante l'Eone Archeano, gli oceani erano da 131º a 185º F (da 55º a 85º C). Si sono raffreddati drammaticamente alle attuali temperature medie di 59º F (15º C). Gli scienziati hanno effettuato queste stime esaminando gli isotopi di ossigeno e silicio nelle rocce marine. Rocce ricche di quarzo nel fondale marino, conosciuti come selci, hanno livelli più elevati degli isotopi più pesanti dell'ossigeno-18 e del silicio-30 man mano che l'acqua di mare diventa più fredda. In linea di principio, il rapporto tra ossigeno più pesante e più leggero e isotopi di silicio può far luce sulle temperature antiche.
L'immagine a sinistra mostra come poteva apparire la Terra più di 3 miliardi di anni fa nel primo Archean. Le forme arancioni rappresentano i proto-continenti ricchi di magnesio prima dell'inizio della tettonica a zolle, sebbene sia impossibile determinarne le forme e le posizioni precise. L'oceano appare verde a causa di un'elevata quantità di ioni di ferro nell'acqua in quel momento. La linea temporale traccia la transizione da una crosta continentale superiore ricca di magnesio a una crosta continentale superiore povera di magnesio. Credito:Ming Tang/Università del Maryland
Ma tali paleotermometri non tengono adeguatamente conto di come queste rocce o l'oceano potrebbero essere cambiati nel corso di miliardi di anni. Forse i rapporti isotopici nell'acqua di mare variavano nel tempo in risposta ad alterazioni fisiche o chimiche, come l'acqua che scorre dal terreno o da bocche idrotermali.
Date le incertezze, Garcia e i suoi colleghi hanno cercato una misurazione indipendente delle temperature dell'acqua di mare nel Precambriano incentrata sul comportamento delle molecole biologiche. Gli scienziati hanno esaminato un enzima noto come nucleoside difosfato chinasi (NDK), che aiuta a manipolare i mattoni del DNA e dell'RNA, così come molti altri ruoli. Versioni di questa proteina si trovano praticamente in tutti gli organismi viventi, ed erano probabilmente vitali anche per molti organismi estinti. Ricerche precedenti hanno trovato una correlazione tra le temperature ottimali della stabilità proteica e la crescita di un organismo.
Confrontando le sequenze molecolari delle versioni di NDK in una varietà di specie contemporanee, i ricercatori possono ricostruire le versioni di NDK che potrebbero essere state presenti nei loro antenati comuni. Sintetizzando queste ricostruzioni, gli scienziati possono testare sperimentalmente queste antiche proteine "resuscitate" per trovare la temperatura che stabilizza la proteina e dedurne la probabile temperatura che sosteneva l'antico organismo.
Gli scienziati stimano quando potrebbero essere esistiti enzimi antichi osservando i loro parenti viventi più stretti del loro organismo ospite. Maggiore è il numero di differenze nelle sequenze genetiche di questi parenti, più tempo fa probabilmente viveva il loro ultimo parente comune. Gli scienziati usano queste differenze per misurare l'età di biomolecole come le ricostruzioni di NDK.
Ricerche precedenti avevano ricostruito antichi enzimi per dedurre le temperature passate, ma alcuni di questi enzimi potrebbero provenire da organismi che vivevano in ambienti insolitamente caldi, come bocche idrotermali di acque profonde, che non sarebbe rappresentativo dell'oceano più ampio. Anziché, Garcia e i suoi colleghi hanno cercato di ricostruire NDK da piante terrestri e batteri fotosintetici che vivono nelle profondità degli oceani illuminate dal sole, presumibilmente lontano da sorgenti termali bollenti.
Le barriere microbiche chiamate stromatoliti sono esempi di strutture biologiche trovate fino a 3,7 miliardi di anni fa. Credito:Pamela Reid, dottorato di ricerca, Università di Miami Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science
La loro ricerca suggerisce che la superficie terrestre si sia raffreddata da circa 167º F (75º C) circa 3 miliardi di anni fa a circa 95º (35º F) circa 420 milioni di anni fa. Questi risultati sono coerenti con i precedenti risultati geologici e basati sugli enzimi.
Garcia ha detto che un raffreddamento così drammatico è difficile da immaginare, sottolineando come gli scienziati hanno bisogno di ricordare come erano diverse le condizioni in passato per capire come si è evoluta la vita nel tempo.
"Richiede un grande sforzo per immaginare un mondo che non sembra adattarsi al buon senso delle nostre attuali condizioni della Terra".
La ricerca futura potrebbe ricostruire versioni di NDK da più organismi, così come altri enzimi, dando più prove a sostegno del metodo. Tale ricerca potrebbe aiutare "a risolvere grandi questioni sulla prima evoluzione della vita e sull'ambiente terrestre, " lei disse.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione dell'Astrobiology Magazine della NASA. Esplora la Terra e oltre su www.astrobio.net.
