A timeline for evolution of metabolism in early microbes

Molto prima che gli esseri umani camminassero sulla Terra, e molto prima che esistessero le prime foreste o gli oceani come li conosciamo oggi, il pianeta fu plasmato dalla vita microscopica. Questi primi microbi non erano solo abitanti; erano gli architetti della chimica del nostro mondo. Attraverso le reazioni chimiche che compivano per sopravvivere, rilasciarono gas, decomposero le rocce e infine riempirono l'atmosfera di ossigeno, preparando il palcoscenico per tutta la vita complessa successiva. Gli scienziati hanno cercato a lungo di ricostruire la storia di questi minuscoli organismi, specificamente di quando svilupparono la capacità di eseguire diversi tipi di metabolismo — i processi chimici che convertono l'energia in vita. Tuttavia, l'evidenza è spesso tenue. Le rocce di miliardi di anni fa possono talvolta accennare a queste antiche attività, ma il record è pieno di lacune e ambiguità. Alcuni processi metabolici non lasciano alcuna traccia nella pietra, lasciando i ricercatori a chiedersi quando e come i primi microbi abbiano imparato a mangiare, respirare e crescere.

Per risolvere questo enigma, un ricercatore si è rivolto agli archivi digitali della vita moderna. Analizzando i progetti genetici di centinaia di batteri e archei viventi, ha costruito una nuova linea temporale dell'evoluzione del metabolismo. Il suo lavoro suggerisce che questi processi chimici vitali non sono apparsi casualmente nel tempo, ma sono arrivati in tre distinte ondate. La prima ondata, avvenuta più di 3,4 miliardi di anni fa, coinvolse metodi semplici e privi di ossigeno per generare energia. Una seconda ondata, iniziata intorno a 3,2 miliardi di anni fa, ha introdotto processi più complessi, inclusi quelli che avrebbero portato all'uso dell'ossigeno. L'ondata finale, iniziata circa 1,4 miliardi di anni fa, ha portato forme specializzate di metabolismo presenti in meno organismi. Questa linea temporale, costruita combinando modelli informatici con la storia della vita, si allinea strettamente con le date più affidabili trovate nelle rocce antiche, offrendo un quadro più chiaro di come il nostro pianeta sia diventato abitabile.

Il ricercatore ha iniziato il suo lavoro raccogliendo i dati genetici di 700 diversi microbi moderni. Ha trattato questi genomi come un record storico, assumendo che i geni presenti negli organismi viventi oggi fossero ereditati dai loro antenati antichi. Utilizzando potenti programmi informatici, ha ricostruito le funzioni genetiche di questi antenati, lavorando efficacementamente a ritroso per prevedere quali geni possedessero le prime forme di vita. Ha poi applicato due diversi strumenti computazionali a questi geni ricostruiti. Uno strumento utilizzava un approccio di machine learning, addestrato sugli organismi moderni, per indovinare se un antico microbo potesse eseguire un compito specifico in base al suo corredo genetico. Il secondo strumento mappava i geni contro reti chimiche note per vedere se la necessaria strumentazione per un particolare percorso metabolico fosse presente. Eseguendo questi strumenti attraverso il loro albero evolutivo, è stato possibile individuare quando specifici tratti, come la capacità di fermentare il cibo o respirare composti dello zolfo, apparvero per la prima volta.

I risultati hanno rivelato un chiaro schema di tre ondate evolutive. L'ondata più antica, iniziata oltre 3,4 miliardi di anni fa, era dominata dalla vita anaerobica — organismi che prosperavano senza ossigeno. Questi primi microbi si affidavano alla fermentazione e alla respirazione di composti dello zolfo per generare energia. Questo periodo coincide con la prima evidenza chimica ampiamente accettata di vita microbica nel record delle rocce. La seconda ondata iniziò intorno a 3,2 miliardi di anni fa e segnò una svolta significativa verso la diversificazione aerobica. Questa era vide l'emergere della respirazione aerobica, la capacità di usare l'ossigeno per l'energia, seguita da vicino dall'ascesa della crescita aerobica. Includeva anche l'apparizione di altri tratti complessi come la fissazione dell'azoto e la fotosintesi ossigenica, il processo che alla fine ha riempito l'atmosfera con l'ossigeno che respiriamo oggi. La terza ondata, apparsa molto più tardi, circa 1,4 miliardi di anni fa, era caratterizzata dalla specializzazione. Durante questo tempo, i microbi svilupparono capacità metaboliche altamente specifiche, come la capacità di respirare selenio o clorato, che si trovano in meno lignaggi e rappresentano una fase più raffinata della storia evolutiva.

Il ricercatore ha testato l'affidabilità della loro linea temporale generata dal computer confrontandola con date indipendenti derivate dal record geologico. Ha trovato un forte accordo tra le loro previsioni e le date più conservative e ampiamente accettate dalle rocce antiche. Ad esempio, il loro modello prevedeva l'ascesa della respirazione basata sullo zolfo e della crescita aerobica in tempi che corrispondono alle più antiche e affidabili evidenze geochimiche. Questo accordo suggerisce che il loro metodo sia robusto e che la linea temporale non sia solo un prodotto dei modelli informatici, ma rifletta eventi storici reali. Lo studio ha anche evidenziato che alcune forme di metabolismo, che non lasciano traccia nel record delle rocce, possono ora essere datate utilizzando questo approccio genetico. Ciò consente agli scienziati di colmare le lacune della storia della Terra con un livello di dettaglio precedentemente impossibile.

Sebbene la linea temporale fornisca un quadro solido, il ricercatore riconosce che non è l'ultima parola. Il loro modello si basa sugli enzimi che esistono oggi e non può tenere conto dei processi metabolici avvenuti senza enzimi o di quelli eseguiti da organismi che si sono estinti. Questa limitazione potrebbe spiegare perché la loro linea temporale suggerisce che alcuni processi siano apparsi leggermente più tardi rispetto ai più antichi e controversi indizi geochimici. Ad esempio, il modello colloca l'origine della fissazione dell'azoto più tardi di quanto suggerito da alcune prove rocciose, sebbene la data si avvicini al record geologico quando il ricercatore ha regolato i propri criteri su cosa costituisca un sistema metabolico completo. Nonostante queste sfumature, lo studio riesce a riconciliare diverse linee di evidenza, unendo il record fossile, la storia chimica delle rocce e la storia genetica della vita. Offre una visione completa di come il metabolismo microbico si sia evoluto, trasformando un mondo silenzioso e chimico nel pianeta vibrante e ricco di ossigeno in cui viviamo oggi.