Le sorgenti termali del Giappone e le origini della vita sulla Terra

Le sorgenti termali del Giappone custodiscono indizi sulle origini della vita sulla Terra. Queste scoperte dimostrano come la vita si sia adattata prima che la fotosintesi rimodellasse il pianeta e potrebbero anche orientare la ricerca della vita su mondi alieni. Miliardi di anni fa, l’atmosfera terrestre era ostile, con pochissima ossigeno e condizioni tossiche per la vita. I ricercatori dell’Earth-Life Science Institute hanno studiato le sorgenti termali giapponesi ricche di ferro, che imitano gli antichi oceani, per scoprire come i primi microbi sopravvivessero. Hanno scoperto comunità di batteri che prosperavano con ferro e piccole quantità di ossigeno, formando ecosistemi che riciclavano elementi come carbonio, azoto e zolfo.

Antichi microbi sopravvissero sfruttando il ferro e i bassi livelli di ossigeno in ecosistemi simili alle moderne sorgenti termali in Giappone. Queste scoperte illuminano il modo in cui la vita si è adattata durante il Grande Evento di Ossigenazione della Terra e suggeriscono possibili strategie di vita su altri pianeti.

Le sorgenti termali del Giappone e le origini della vita terrestre

La Terra non è sempre stata il mondo blu-verde che conosciamo oggi: i livelli di ossigeno della Terra primordiale erano circa un milione di volte inferiori a quelli attuali. Non c’erano foreste né animali. Per gli organismi antichi, l’ossigeno era tossico. Che aspetto aveva la vita a quel tempo? Un recente studio condotto da Fatima Li-Hau (studentessa laureata presso l’ELSI al momento della ricerca) insieme al supervisore, il Professore Associato Shawn McGlynn (al momento della ricerca) dell’Earth-Life Science Institute (ELSI) presso l’Institute of Science di Tokyo, in Giappone, esplora questo interrogativo esaminando sorgenti termali ricche di ferro.

Queste sorgenti imitano la chimica degli antichi oceani terrestri all’epoca di uno dei cambiamenti più radicali della Terra: l’ossigenazione dell’atmosfera. I loro risultati suggeriscono che le prime comunità microbiche utilizzassero il ferro, insieme all’ossigeno rilasciato dai microbi fotosintetici, per produrre energia, rivelando un ecosistema di transizione in cui la vita trasformava un prodotto di scarto di un organismo in una nuova fonte di energia prima che la fotosintesi diventasse dominante.

Lo studio è stato effettuato su cinque sorgenti termali una a Tokyo, due ciascuna nelle prefetture di Akita e Aomori.

Parliamo del GOE

Il Grande Evento di Ossigenazione (GOE) si è verificato circa 2,3 miliardi di anni fa e ha segnato l’aumento dell’ossigeno atmosferico, probabilmente innescato da cianobatteri verdi che utilizzavano la luce solare per scindere l’acqua, convertendo successivamente l’anidride carbonica in ossigeno attraverso la fotosintesi. Il risultato è che l’atmosfera attuale è composta per circa il 78% da azoto e per il 21% da ossigeno, con solo tracce di altri gas come metano e anidride carbonica, che potrebbero aver svolto un ruolo maggiore prima dell’aumento dell’ossigeno.

Il GOE ha cambiato radicalmente il corso della vita sulla Terra. Questa elevata quantità di ossigeno permette a noi animali di respirare, ma complica anche la vita di antiche forme di vita, che erano quasi inconsapevoli della molecola di O₂ . Capire come questi antichi microbi si siano adattati alla presenza di ossigeno rimane una questione importante.

Questa ricerca può aiutare a comprendere meglio l’origine della vita sulla Terra.

Studiando le sorgenti termali giapponesi

Per rispondere a questa domanda, il team ha studiato cinque sorgenti termali in Giappone, ricche di acque con diverse composizioni chimiche. Queste cinque sorgenti (una a Tokyo, due ciascuna nelle prefetture di Akita e Aomori) sono naturalmente ricche di ferro ferroso (Fe2 + ). Sono rare nel mondo odierno, ricco di ossigeno, perché il ferro ferroso reagisce rapidamente con l’ossigeno e si trasforma in una forma insolubile di ferro ferrico (Fe3 + ). Ma in queste sorgenti, l’acqua contiene ancora alti livelli di ferro ferroso, bassi livelli di ossigeno e un pH quasi neutro, condizioni che si ritiene assomiglino a quelle di alcune parti degli oceani della Terra primordiale.

“Queste sorgenti termali ricche di ferro forniscono un laboratorio naturale unico per studiare il metabolismo microbico in condizioni simili a quelle della Terra primordiale, durante la transizione dal tardo Archeano all’inizio del Proterozoico, segnata dal Grande Evento di Ossidazione. Ci aiutano a comprendere come gli ecosistemi microbici primitivi potrebbero essere stati strutturati prima dell’avvento di piante, animali o di una significativa presenza di ossigeno atmosferico”, afferma Shawn McGlynn, che ha supervisionato Li-Hau durante la sua tesi di dottorato.

In quattro delle cinque sorgenti termali, il team ha scoperto che i batteri microaerofili ossidanti il ​​ferro erano i microbi dominanti. Questi organismi prosperano in condizioni di scarsa ossigenazione e utilizzano il ferro ferroso come fonte di energia, convertendolo in ferro ferrico. Erano presenti anche cianobatteri, noti per la produzione di ossigeno attraverso la fotosintesi, ma in numero relativamente ridotto. L’unica eccezione era una delle sorgenti termali di Akita, dove i metabolismi non ferrosi erano sorprendentemente dominanti.

I risultati di questa ricerca sono molto interessanti.

I risultati degli studi

Utilizzando l’analisi metagenomica, il team ha assemblato oltre 200 genomi microbici di alta qualità e li ha utilizzati per analizzare in dettaglio le funzioni dei microbi nella comunità. Gli stessi microbi che accoppiavano il metabolismo del ferro e dell’ossigeno convertivano un composto tossico in una fonte di energia e contribuivano a mantenere le condizioni che consentivano la sopravvivenza degli anaerobi sensibili all’ossigeno.

Queste comunità svolgevano processi biologici essenziali come il ciclo del carbonio e dell’azoto, e i ricercatori hanno anche trovato prove di un ciclo parziale dello zolfo, identificando geni coinvolti nell’ossidazione dei solfuri e nell’assimilazione dei solfati. Dato che le sorgenti termali contenevano pochissimi composti solforati, questa è stata una scoperta sorprendente. I ricercatori propongono che ciò possa indicare un ciclo dello zolfo “criptico”, in cui i microbi riciclano lo zolfo in modi complessi che non sono ancora pienamente compresi.

“Nonostante le differenze nella geochimica e nella composizione microbica nei vari siti, i nostri risultati mostrano che in presenza di ferro ferroso e ossigeno limitato, le comunità di ossidanti del ferro microaerofili, fototrofi ossigenici e anaerobi coesistono costantemente e mantengono cicli biogeochimici sorprendentemente simili e completi”, afferma Li-Hau.

I microbi potrebbero aver sfruttato l’energia dall’ossidazione del ferro e dall’ossigeno prodotto dai primi organismi fototrofi.

Cosa suggerisce, quindi, la ricerca?

La ricerca suggerisce un cambiamento nella nostra comprensione degli ecosistemi primordiali, dimostrando che i microbi potrebbero aver sfruttato l’energia dall’ossidazione del ferro e dall’ossigeno prodotto dai primi organismi fototrofi. Lo studio propone che, analogamente a queste sorgenti termali, gli ecosistemi ospitati sulla Terra primordiale fossero composti da diversi microbi, tra cui batteri ossidanti il ​​ferro, anaerobi e cianobatteri che vivevano fianco a fianco e modulavano le concentrazioni di ossigeno.

“Questo articolo amplia la nostra comprensione del funzionamento dell’ecosistema microbico durante un periodo cruciale della storia della Terra, la transizione da un oceano anossico e ricco di ferro a una biosfera ossigenata all’inizio del GOE. Grazie alla comprensione degli ambienti analoghi moderni, forniamo una visione dettagliata dei potenziali metabolici e della composizione della comunità microbica rilevanti per le condizioni della Terra primordiale”, afferma Li-Hau.

Nel complesso, queste intuizioni approfondiscono la nostra comprensione dell’evoluzione primordiale della vita sulla Terra e hanno implicazioni per la ricerca della vita su altri pianeti con condizioni geochimiche simili a quelle della Terra primordiale.