Le origini della vita e come i cianobatteri indirizzarono l'evoluzione

La Terra è il terzo pianeta in ordine di distanza dal Sole e dista circa 150 milioni di chilometri dalla stella madre, posizionandosi nella cosiddetta zona abitabile del Sistema solare, dove l’acqua esiste in tutti e tre gli stati di aggregazione; per cui circa il 70% della superficie terrestre è coperta da oceani di acqua salata, mentre il restante 30% è rappresentato da continenti e isole, con laghi e fiumi d’acqua dolce. La rivoluzione del pianeta intorno al Sole e l’inclinazione dell’asse di rotazione terrestre rispetto alla perpendicolare al piano dell’eclittica permettono l’alternarsi delle stagioni. La Terra possiede un satellite naturale che ne influenza la rotazione ed è dotata di un’atmosfera composta prevalentemente da azoto e ossigeno. Questa, insieme al campo magnetico che avvolge il pianeta, protegge la superficie terrestre dalle radiazioni cosmiche.

Queste speciali caratteristiche rendono la Terra, ad oggi, l’unico corpo celeste conosciuto in grado di permettere lo sviluppo e il sostentamento della vita. Ma quando sono apparse le prime forme di vita sul “Pianeta azzurro” e come hanno influenzato l’ambiente primordiale in cui vivevano?

Formazione della Terra e comparsa della vita

La formazione della Terra risale a circa 4,5 miliardi di anni fa (Fig. 1), in seguito ad aggregazione del materiale del disco protoplanetario composto da gas denso e polvere cosmica che orbitava intorno al protosole. In questo primo eone della storia geologica della Terra, denominato Adeano, il pianeta era inizialmente composto soltanto da rocce fuse. Dopo il lento raffreddamento della superficie, l’intensa attività vulcanica permise la formazione di una prima atmosfera, ricca di anidride carbonica, monossido di carbonio, zolfo, acido cloridrico e metano. Con il passare dei secoli la crosta si raffreddò abbastanza da permettere al vapore acqueo rilasciato nell’atmosfera dalle numerose eruzioni di generare le prime nuvole e, di conseguenza, le prime piogge, che nell’arco di migliaia di anni ricoprirono d’acqua la superficie terrestre.

*Figura 1 – Scala dei tempi geologici* [Fonte:https://commons.wikimedia.org]

L’eone Archeano

Così iniziò l’eone Archeano, circa 4 miliardi di anni fa, e nei suoi oceani ancestrali avvenne l’evento più importante della storia della Terra: la nascita della vita. In questi mari primitivi c’erano tutti gli ingredienti necessari all’origine delle prime molecole organiche, che si unirono nei primitivi amminoacidi e fosfolipidi, indispensabili per costruire le membrane biologiche, che a loro volta si aggregarono nelle prime macromolecole. Una tappa fondamentale per lo sviluppo della vita fu la genesi di filamenti di RNA in grado di autocatalizzare la loro stessa sintesi (i cosiddetti ribozimi) e di contenere le fondamentali informazioni genetiche. Questi polimeri erano però ancora troppo instabili e facilmente degradabili, perciò venne fabbricato il DNA, che divenne il depositario dell’informazione genetica e lasciò all’RNA il compito di tradurla in proteine, catalizzatori di reazioni e imprescindibili per plasmare gli organismi. Dal brodo primordiale era appena nata la vita.

Queste prime forme di vita che comparvero nei mari archeani erano procarioti (batteri e archei) che possedevano tutti i requisiti minimi per essere considerati viventi: avevano una loro organizzazione, erano in grado di metabolizzare sostanze chimiche per trasformale in energia e potevano riprodursi autonomamente.

Vita più antica

Le prove più antiche che attestano la presenza di vita sul nostro pianeta si trovano nelle cosiddette rocce verdi di Isua, in Groenlandia; queste sono stromatoliti (Fig. 2), ossia strutture sedimentarie generate dall’attività di tappeti microbici composti da microrganismi fotosintetici, datate tra i 3,7 e i 3,8 miliardi di anni fa. Altre tracce di vita ancestrale sono state scoperte in Australia, nella formazione di Dresser, che contiene stromatoliti risalenti a circa 3,5 miliardi di anni fa.

Le stromatoliti e la prima vita visibile

Queste formazioni rappresentano una prova indiretta dell’esistenza della vita in quel periodo, in quanto sono una sorta di impronta lasciata da antichi organismi fotosintetici che producevano composti adesivi per rimanere adesi alle superfici nelle zone limitrofe agli oceani. Quando questi biofilm venivano ricoperti dalle maree, le sostanze adesive intrappolavano i sedimenti trasportati dalle acque, costringendo i microbi a risalire in superficie per formare un altro tappeto microbico, generando così questi strati sedimentari sovrapposti che sono arrivati fino a noi. Quindi tali strutture si accrescevano per permettere ai microbi autotrofi di arrivare alla luce solare, fondamentale per il loro sostentamento.

*Figura 2 – Campione di roccia verde di Isua, che data la comparsa della vita a più di 3,7 miliardi di anni fa* [Fonte:https://articolidiastronomia.com]

Sebbene alcune stromatoliti fossili possano essersi formate in seguito a meccanismi non biologici, quelle coniche sono indubbiamente il frutto di un’attività microbica. La prova è la presenza di strati di materiale organico che contornano le stromatoliti da un estremo all’altro, seguendo le pendenze; sono state trovate tracce di strati microbici incorporati in alcuni di questi depositi e, in qualche caso, sono emersi quelli che sembrerebbero essere dei microfossili. La maggior parte delle stromatoliti fossilizzate (Fig. 3) derivano dall’attività di un genere di microrganismi che hanno giocato un ruolo fondamentale nell’evoluzione della vita sulla Terra: i cianobatteri.

*Figura 3 –* *Stromatoliti moderne* [Fonte:https://www.focus.it]

I cianobatteri

I cianobatteri (Cyanobacteria) sono un phylum antichissimo di batteri Gram-positivi che possono presentarsi singolarmente o in colonie (capaci di movimento autonomo tramite pili o flagelli). Ogni cellula cianobatterica possiede una parete costituita da una guaina proteica (Fig. 4 e 5) e si riproduce per fissione binaria. Questi microrganismi rappresentarono una rivoluzione nella storia della vita sulla Terra e furono indispensabili nell’evoluzione degli ecosistemi terrestri, in quanto erano i primi organismi fotosintetici, in grado quindi di ottenere energia dalla luce solare, mentre i procarioti più arcaici sfruttavano unicamente la chemiosintesi. La fotosintesi clorofilliana fu un grande balzo in avanti grazie anche al suo principale sottoprodotto, l’ossigeno, che cominciò a riempire l’atmosfera primordiale.

Cianobatteri della specie Prochlorococcus marinus al microscopio — *Figura 4 –* *Cianobatteri della specie* Prochlorococcus marinus al microscopio [Fonte:https://uonblogs.newcastle.edu.au]

I pigmenti fotosintetici dei cianobatteri sono la clorofilla a, i carotenoidi e le ficobiliproteine che si trovano nei ficobilisomi incorporati nei tilacoidi. Queste strutture sono usate sia per il trasporto degli elettroni per la fotosintesi durante il giorno che per la respirazione di notte. Alcuni cianobatteri sono anche capaci di fissare l’azoto tramite cellule specializzate dette eterocisti. Questi organismi sono molto resistenti e adattabili a svariate condizioni ambientali, per cui ancora oggi proliferano perfino negli ambienti più estremi. I cianobatteri sono stati i primi produttori di ossigeno e hanno modificato per sempre la geochimica del pianeta, permettendo lo sviluppo di forme di vita complessa. Oltre a ciò, le loro capacità fotosintetiche hanno portato allo sviluppo dei cloroplasti, in seguito all’endosimbiosi tra questi organismi e i primi eucarioti unicellulari eterotrofi.

*Figura 5 – Struttura della cellula cianobatterica* [Fonte:https://www.biologyonline.com]

Grande evento ossidativo

Il Great oxidation event, o catastrofe dell’ossigeno, è un evento causato da un enorme accumulo di ossigeno nell’atmosfera terrestre, avvenuto circa 2,45 miliardi di anni fa, all’inizio dell’eone Proterozoico. Questo improvviso aumento della concentrazione di O₂ ha causato la prima grande estinzione di massa nella storia della Terra. Le specie anaerobiche allora esistenti furono colpite duramente e così si aprì la strada allo sviluppo di organismi capaci di sopravvivere in presenza di ossigeno. In questo modo furono gettate le basi del sistema evolutivo che ha portato alle attuali forme di vita; i propulsori di questa grande rivoluzione furono proprio i cianobatteri, che esistevano già molto tempo prima della Grande Ossidazione. Per capire come e perché si sia verificato questo evento dobbiamo fare un passo indietro.

Orizzonti ferriferi a bande e nichel

Nel primo periodo dopo la comparsa dei cianobatteri, le molecole di ossigeno da loro prodotte cominciarono a reagire con gli elementi ossidabili contenuti nell’ambiente, formando una grande quantità di prodotti ossidati. Questo arrugginimento di massa portò alla deposizione degli ossidi di ferro nei cosiddetti orizzonti a bande di ferro, visibili oggi in molte regioni della Terra (Fig. 6). Quando l’eccesso di ossigeno esaurì i composti ossidabili, questo elemento cominciò lentamente ad accumularsi nell’atmosfera.

*Figura 6 – Orizzonti ferriferi a bande, Karijini National Park, Australia* [Fonte:https://www.geologyin.com]

Nelle stratificazioni degli orizzonti ferriferi a bande generatisi prima che l’atmosfera e gli oceani si arricchissero di ossigeno, oltre a ferro ossidato e silicati si ritrova anche il nichel, la cui concentrazione nelle acque era molto maggiore rispetto ai nostri giorni. In questo ambiente prosperavano i microrganismi metanogeni che utilizzavano il nichel per produrre il metano, che contribuiva a limitare l’accumulo di ossigeno reagendo con esso per generare CO₂ e acqua. Circa 2,7 miliardi di anni fa i livelli di nichel iniziarono a diminuire, e 2,5 miliardi di anni fa si erano dimezzati. Il crollo della concentrazione di nichel indebolì i microrganismi metanogeni mentre quelli fotosintetici, come i cianobatteri, che non necessitavano di questo elemento, furono meno influenzati da questo evento e presero definitivamente il sopravvento.

Si pensa che all’origine della brusca riduzione delle concentrazioni di nichel ci fu il progressivo raffreddamento del mantello terrestre, che determinò un cambiamento nella composizione delle lave eruttate dai vulcani. Quindi, in seguito alla riduzione del nichel atmosferico, il livello di metano diminuì, mentre la percentuale di O₂ continuò ad aumentare (Fig. 7) a causa dell’esaurimento dei composti ossidabili, e fu questa combinazione di eventi che condusse alla Grande ossidazione.

*Figura 7 – Variazioni della concentrazione di ossigeno sulla Terra negli ultimi 4 miliardi di anni* [Fonte:https://jps.biomedcentral.com]

Effetti della catastrofe dell’ossigeno

L’accumulo di ossigeno molecolare continuò per oltre cento milioni di anni, fino a raggiungere una concentrazione letale per i microrganismi anaerobici che popolavano il pianeta. L’ossigeno conferì all’atmosfera uno strato di ozono che bloccò le radiazioni ultraviolette, fatali per gli organismi più complessi. Il ferro era inizialmente presente in grandi quantità nelle acque marine e le colorava di un intenso colore verde; in seguito alla sua totale ossidazione e sedimentazione sul fondo degli oceani le acque si schiarirono, fino ad assumere la colorazione attuale. L’accumulo di ossigeno è anche responsabile dell’aspetto odierno del cielo, che sostituì quello primitivo a tinte rossastre.

Un altro effetto dell’ossigenazione atmosferica fu l’ossidazione del metano, un forte gas serra, ad anidride carbonica, caratterizzata da un effetto serra inferiore, e si pensa che questo abbia innescato la Glaciazione Uroniana. Questa è la più grande glaciazione conosciuta e portò alla cosiddetta Terra a palla di neve, fenomeno che perdurò per 300-400 milioni di anni. In questo periodo probabilmente i microrganismi sopravvissero depositandosi intorno alle bocche termali sul fondo degli oceani.

Per la vita la strada era tracciata

L’aumento della concentrazione di ossigeno dovuto all’attività dei cianobatteri diede avvio ad una grande diversificazione biologica; fino ad allora la vita era rimasta energeticamente limitata e l’aumentata disponibilità di O₂ portò ad una forte accelerazione nell’evoluzione del metabolismo. L’incremento di energia a disposizione dei viventi ebbe un elevato impatto ambientale globale. Si arrivò così allo sviluppo dei mitocondri e, di conseguenza, agli eucarioti e alle prime forme di vita pluricellulari. Da un enorme evento causato da un piccolissimo e primitivo organismo partì la grande corsa evolutiva che, nell’eone Proterozoico e nel successivo Fanerozoico, portò all’esplosione della vita in tutte le straordinarie forme che hanno popolato e che popolano questo punto azzurro nell’universo.