I cianobatteri, così come esistono ancora oggi, furono i primi organismi a svolgere la fotosintesi e a rilasciare ossigeno. Prodotto negli oceani primordiali circa 2,5 miliardi di anni fa, questo ossigeno si accumulò nell’atmosfera terrestre su vasta scala. Un team di ricerca guidato dal geomicrobiologo dell’Università di Tubinga, il Professor Andreas Kappler, ha utilizzato esperimenti di laboratorio per indagare come questo processo fosse possibile, dato che il ferro disciolto nell’acqua oceanica inibiva fortemente la crescita dei cianobatteri. I ricercatori hanno scoperto che il silicato, presente anche nell’acqua oceanica, svolgeva un ruolo chiave, così come il ciclo giornaliero di luce e buio. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications.
L’ossigeno era un prodotto di scarto problematico per i cianobatteri. Con il suo accumulo, l’evoluzione ha reagito, fino a rendere l’ossigeno indispensabile per la maggior parte delle forme di vita conosciute. “Gli oceani primordiali contenevano molto ferro disciolto, che reagisce con l’ossigeno formando radicali dell’ossigeno altamente reattivi. Queste specie reattive dell’ossigeno, come vengono chiamate, sono tossiche per i batteri”, spiega Kappler.
Finora, si presumeva quindi che i radicali dell’ossigeno inibissero fortemente il rilascio di ossigeno da parte dei cianobatteri e che l’ossigeno libero fosse entrato nell’atmosfera solo diversi milioni di anni dopo la comparsa dei cianobatteri. “Tuttavia, questa ipotesi solleva anche la questione di come i cianobatteri potessero sopravvivere in tali condizioni“, afferma la prima autrice dello studio, Carolin Dreher, dottoranda del gruppo di Kappler.
Il ruolo del silicato
Per comprendere meglio le condizioni di vita dei cianobatteri negli oceani primordiali, il team di ricerca ha studiato la crescita dei cianobatteri Synechococcus in laboratorio a diverse concentrazioni di ferro e silice disciolti. La silice è silicio disciolto, presente in grandi quantità anche nelle acque degli oceani primordiali. “Lo sappiamo dai più grandi giacimenti di ferro del mondo odierni, le formazioni di ferro a bande presenti in diversi continenti. Lì, entrambi gli elementi, ferro e silicio, si depositavano alternativamente a strati”, afferma Kappler.
Nell’esperimento, elevate concentrazioni di ferro aumentavano la formazione di composti reattivi dell’ossigeno e inibivano la crescita di microrganismi. “Tuttavia, quando negli esperimenti erano presenti anche quantità di silicato realistiche per gli oceani di quel tempo, la formazione di questi composti tossici diminuiva significativamente”, secondo Dreher.
In queste condizioni, i cianobatteri erano in grado di crescere e continuare a produrre ossigeno. “Alte concentrazioni di silicato apparentemente agivano come un meccanismo di protezione chimica che riduceva la formazione di composti nocivi dell’ossigeno, consentendo così la crescita dei cianobatteri nonostante le elevate concentrazioni di ferro”, spiega.
Gli effetti dell’alternanza diurna tra luce e buio
Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che anche l’alternanza delle fasi giorno e notte svolgeva un ruolo importante nell’arricchimento di ossigeno. “Precedenti ricerche avevano utilizzato l’illuminazione continua. Abbiamo scoperto che la formazione di composti nocivi dell’ossigeno era ulteriormente ridotta nei nostri esperimenti con un ciclo di luce giornaliero”, riferisce Dreher. I modelli computazionali dei ricercatori basati sui dati sperimentali hanno mostrato che, in tali condizioni, zone ricche di ossigeno avrebbero potuto formarsi nelle aree prossime alla superficie degli oceani in quel periodo.
“I nostri risultati suggeriscono che le condizioni chimiche negli oceani ricchi di ferro della Terra primordiale rappresentassero un ostacolo minore alla diffusione dei cianobatteri di quanto si pensasse in precedenza”, afferma Kappler. “Questo potrebbe aver giocato un ruolo decisivo nel consentire a questi microrganismi di produrre abbastanza ossigeno a lungo termine da determinare un cambiamento duraturo nella composizione dell’atmosfera terrestre”.
La professoressa Karla Pollmann, Presidente dell’Università di Tubinga, afferma: “questo studio fornisce nuove e affascinanti informazioni sullo sviluppo a lungo termine dell’atmosfera terrestre, dimostrando che molti fattori devono essere considerati”.
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