Utilizzando proteine che catturano la luce nei microbi viventi, gli scienziati hanno ricostruito com’era la vita per alcuni dei primi organismi della Terra. Questi sforzi potrebbero aiutarci a riconoscere segni di vita su altri pianeti, le cui atmosfere potrebbero assomigliare più da vicino al nostro pianeta pre-ossigeno.
Rappresentazione del processo mediante il quale i microbi antichi catturavano la luce con le proteine della rodopsina. Credito immagine: Sohail Wasif/UCR
I primi esseri viventi, inclusi batteri e organismi unicellulari chiamati archaea, abitavano un pianeta principalmente oceanico senza uno strato di ozono per proteggerli dalle radiazioni solari. Questi microbi hanno sviluppato rodopsine, proteine con la capacità di trasformare la luce solare in energia, usandole per alimentare i processi cellulari.
“Sulla Terra primordiale, l’energia potrebbe essere stata molto scarsa. Batteri e archei hanno scoperto come utilizzare l’abbondante energia del sole senza le complesse biomolecole necessarie per la fotosintesi”, ha affermato l’astrobiologo Edward Schwieterman, coautore di uno studio che descrive la ricerca.
Le rodopsine sono legate a bastoncelli e coni negli occhi umani che ci consentono di distinguere tra luce e buio e vedere i colori. Sono anche ampiamente distribuiti tra gli organismi e gli ambienti moderni come gli stagni salini, che presentano un arcobaleno di colori vivaci.
Utilizzando l’apprendimento automatico, il team di ricerca ha analizzato le sequenze proteiche della rodopsina da tutto il mondo e ha monitorato come si sono evolute nel tempo. Quindi, i ricercatori hanno creato un tipo di albero genealogico che ha permesso loro di ricostruire le rodopsine da 2,5 a 4 miliardi di anni fa e le condizioni che probabilmente hanno dovuto affrontare.
I loro risultati sono dettagliati in un articolo pubblicato sulla rivista Molecular Biology and Evolution.
“La vita come la conosciamo è un’espressione tanto delle condizioni del nostro pianeta quanto della vita stessa. Abbiamo resuscitato antiche sequenze di DNA di una molecola e questo ci ha permesso di collegarci alla biologia e all’ambiente del passato“, ha affermato Betul Kacar, astrobiologo e responsabile dello studio dell’Università del Wisconsin-Madison.
“È come prendere il DNA di molti nipoti per riprodurre il DNA dei loro nonni. Solo che non sono i nonni, ma le piccole cose che sono vissute miliardi di anni fa, in tutto il mondo“, ha detto Schwieterman.
Le rodopsine moderne assorbono la luce blu, verde, gialla e arancione e possono apparire rosa, viola o rosse in virtù della luce che non sono pigmenti assorbenti o complementari. Tuttavia, secondo le ricostruzioni del team, le antiche rodopsine sono state sintonizzate per assorbire principalmente la luce blu e verde.
Poiché l’antica Terra non aveva ancora il vantaggio di uno strato di ozono, il team di ricerca teorizza che microbi di miliardi di anni vivevano a molti metri di profondità nella colonna d’acqua per proteggersi dalle intense radiazioni UVB in superficie.
La luce blu e verde penetra meglio nell’acqua, quindi è probabile che le prime rodopsine abbiano assorbito principalmente questi colori. “Questa potrebbe essere la migliore combinazione per essere schermati ed essere ancora in grado di assorbire la luce per produrre energia”, ha affermato Schwieterman.
Dopo il Grande Evento di Ossidazione, più di 2 miliardi di anni fa, l’atmosfera terrestre iniziò a subire un aumento della quantità di ossigeno. Con ossigeno e ozono aggiuntivi nell’atmosfera, le rodopsine si sono evolute per assorbire ulteriori colori di luce.
Le rodopsine oggi sono in grado di assorbire i colori della luce che i pigmenti di clorofilla nelle piante non possono. Sebbene rappresentino meccanismi di cattura della luce completamente indipendenti, assorbono aree complementari dello spettro.
“Questo suggerisce una coevoluzione, in quanto un gruppo di organismi sfrutta la luce non assorbita dall’altro“, ha detto Schwieterman. “Questo potrebbe essere dovuto al fatto che le rodopsine si sono sviluppate per prime e hanno schermato la luce verde, quindi le clorofille in seguito si sono sviluppate per assorbire il resto. O sarebbe potuto succedere il contrario”.
Andando avanti, il team spera di resuscitare modello di rodopsina in un laboratorio utilizzando tecniche di biologia sintetica.
“Progettiamo l’antico DNA all’interno dei genomi moderni e riprogrammiamo gli insetti in modo che si comportino come crediamo si comportassero milioni di anni fa. La rodopsina è un ottimo candidato per gli studi di laboratorio sui viaggi nel tempo”, ha detto Kacar.
In definitiva, il team è soddisfatto delle possibilità di ricerca offerte dalle tecniche utilizzate per questo studio. Poiché altri segni di vita del profondo passato geologico devono essere fisicamente preservati e solo alcune molecole sono suscettibili di conservazione a lungo termine, ci sono molti aspetti della storia della vita che fino ad ora non sono stati accessibili ai ricercatori.
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“Il nostro studio dimostra per la prima volta che le storie comportamentali degli enzimi sono suscettibili di ricostruzione evolutiva in modi che le biosignature molecolari convenzionali non lo sono”, ha detto Kacar.
Il team spera anche di utilizzare ciò che ha appreso sul comportamento dei primi organismi della Terra e usarlo per cercare nei cieli segni di vita su altri pianeti.
“La Terra primitiva è un ambiente alieno rispetto al nostro mondo di oggi. Capire come gli organismi qui sono cambiati nel tempo e in ambienti diversi ci insegnerà cose cruciali su come cercare e riconoscere la vita altrove”, ha detto Schwieterman.
Fonte: UC Riverside