In tutto l’oceano, miliardi e miliardi di microbi simili a piante costituiscono una foresta galleggiante invisibile. Mentre vanno alla deriva, i minuscoli organismi usano la luce solare per aspirare l’anidride carbonica dall’atmosfera. Collettivamente, questi plancton fotosintetici, o fitoplancton, assorbono quasi la stessa quantità di CO2 delle foreste terrestri del mondo. Una frazione misurabile del loro muscolo che cattura il carbonio proviene dal Prochlorococcus, un galleggiante dalle sfumature smeraldo che è oggi il fitoplancton più abbondante negli oceani.
Ma il Prochlorococcus non ha sempre abitato in acque aperte. Gli antenati del microbo probabilmente sono rimasti più vicini alle coste, dove i nutrienti erano abbondanti e gli organismi sopravvivevano in stuoie microbiche comuni sul fondo del mare. In che modo allora i discendenti di questi abitanti della costa sono diventati le centrali fotosintetiche degli oceani aperti oggi?
Gli scienziati del MIT ritengono che il rafting fosse la chiave. In un nuovo studio propongono che gli antenati del Prochlorococcus abbiano acquisito la capacità di attaccarsi alla chitina, le particelle degradate di antichi esoscheletri. I microbi hanno fatto l’autostop sui fiocchi di passaggio, usando le particelle come zattere per avventurarsi più al largo. Queste zattere di chitina potrebbero anche aver fornito nutrienti essenziali, alimentando e sostenendo i microbi lungo il loro viaggio.
Così fortificate, generazioni di microbi potrebbero aver avuto l’opportunità di sviluppare nuove capacità per adattarsi all’oceano aperto. Alla fine, si sarebbero evoluti fino al punto in cui avrebbero potuto abbandonare la nave e sopravvivere come gli abitanti dell’oceano fluttuanti che vivono oggi.
“Se il Prochlorococcus e altri organismi fotosintetici non avessero colonizzato l’oceano, ci troveremmo di fronte a un pianeta molto diverso”, afferma Rogier Braakman, ricercatore presso il Dipartimento di Scienze della Terra, Atmosferiche e Planetarie (EAPS) del MIT. “È stato il fatto che sono stati in grado di attaccarsi a queste zattere di chitina che ha permesso loro di stabilire un punto d’appoggio in una parte completamente nuova e massiccia della biosfera del pianeta, in un modo che ha cambiato la Terra per sempre”.
Braakman e i suoi collaboratori presentano la loro nuova ipotesi della “zattera di chitina”, insieme a esperimenti e analisi genetiche a sostegno dell’idea, in uno studio apparso questa settimana su PNAS.
I coautori del MIT sono Giovanna Capovilla, Greg Fournier, Julia Schwartzman, Xinda Lu, Alexis Yelton, Elaina Thomas, Jack Payette, Kurt Castro, Otto Cordero e la professoressa del MIT Institute Sallie (Penny) Chisholm, insieme a colleghi di diverse istituzioni tra cui il Istituto oceanografico di Woods Hole.
Uno strano gene
Il proclorococco è uno dei due gruppi principali appartenenti a una classe nota come picocianobatteri, che sono i più piccoli organismi fotosintetizzanti del pianeta. L’altro gruppo è Synechococcus, un microbo strettamente correlato che può essere trovato in abbondanza nei sistemi oceanici e di acqua dolce. Entrambi gli organismi si guadagnano da vivere attraverso la fotosintesi.
Ma si scopre che alcuni ceppi di Prochlorococcus possono adottare stili di vita alternativi, in particolare nelle regioni poco illuminate dove la fotosintesi è difficile da mantenere. Questi microbi sono “mixotrofici”, utilizzando un mix di altre strategie di cattura del carbonio per crescere.
I ricercatori del laboratorio di Chisholm stavano cercando segni di mixotrofia quando si sono imbattuti in un gene comune in diversi ceppi moderni di Prochlorococcus. Il gene codificava la capacità di abbattere la chitina, un materiale ricco di carbonio che proviene dai gusci staccati di artropodi, come insetti e crostacei.
“È stato molto strano”, dice Capovilla, che ha deciso di scavare più a fondo nella scoperta quando si è unita al laboratorio come postdoc.
Per il nuovo studio, Capovilla ha condotto esperimenti per vedere se il Prochlorococcus può effettivamente abbattere la chitina in modo utile. Precedenti lavori in laboratorio hanno dimostrato che il gene che degrada la chitina è apparso in ceppi di Prochlorococcus che vivono in condizioni di scarsa illuminazione e in Synechococcus. Il gene mancava nel Prochlorococcus che abitava regioni più soleggiate.
In laboratorio, Capovilla ha introdotto particelle di chitina in campioni di ceppi a bassa e alta luminosità. Ha scoperto che i microbi contenenti il gene potevano degradare la chitina e, di questi, solo il Prochlorococcus adattato alla luce scarsa sembrava beneficiare di questa scomposizione, poiché sembrava che crescessero anche più velocemente. I microbi potrebbero anche attaccarsi ai fiocchi di chitina, un risultato che ha particolarmente interessato Braakman, che studia l’evoluzione dei processi metabolici e il modo in cui hanno modellato l’ecologia della Terra.
“La gente mi chiede sempre: come hanno fatto questi microbi a colonizzare l’oceano primordiale?” lui dice. “E mentre Gio stava facendo questi esperimenti, c’è stato questo momento ‘aha’.”
Braakman si è chiesto: questo gene potrebbe essere stato presente negli antenati del Prochlorococcus, in un modo che ha permesso ai microbi costieri di attaccarsi e nutrirsi di chitina e cavalcare i fiocchi verso il mare?
Sta tutto nel tempismo
Per testare questa nuova ipotesi della “zattera di chitina”, il team si è rivolto a Fournier, specializzato nel tracciare i geni attraverso le specie di microbi nel corso della storia. Nel 2019, il laboratorio di Fournier ha stabilito un albero evolutivo per quei microbi che esibiscono il gene che degrada la chitina. Da questo albero hanno notato una tendenza: i microbi iniziano a usare la chitina solo dopo che gli artropodi diventano abbondanti in un particolare ecosistema.
Affinché l’ipotesi della zattera di chitina sia valida, il gene dovrebbe essere presente negli antenati del Prochlorococcus subito dopo che gli artropodi hanno iniziato a colonizzare gli ambienti marini.
Il team ha esaminato i reperti fossili e ha scoperto che le specie acquatiche di artropodi sono diventate abbondanti all’inizio del Paleozoico, circa mezzo miliardo di anni fa. Secondo l’albero evolutivo di Fournier, questo accade anche nel periodo in cui il gene che degrada la chitina appare negli antenati comuni di Prochlorococcus e Synecococchus.
“Il tempismo è abbastanza solido”, afferma Fournier. “I sistemi marini venivano inondati da questo nuovo tipo di carbonio organico sotto forma di chitina, proprio mentre i geni per l’utilizzo di questo carbonio si diffondevano in tutti i diversi tipi di microbi. E il movimento di queste particelle di chitina ha improvvisamente aperto l’opportunità ai microbi di raggiungere l’oceano aperto.”
La comparsa della chitina potrebbe essere stata particolarmente benefica per i microbi che vivevano in condizioni di scarsa illuminazione, come lungo il fondale marino costiero, dove si pensa che vivessero antichi picocianobatteri. Per questi microbi, la chitina sarebbe stata una fonte di energia molto necessaria, nonché una via d’uscita dalla loro nicchia costiera comune.
Braakman dice che una volta in mare, i microbi del rafting erano abbastanza robusti da sviluppare altri adattamenti che abitano l’oceano. Milioni di anni dopo, gli organismi erano quindi pronti a “fare il grande passo” ed evolversi nel Proclorococco fluttuante e fotosintetizzante che esiste oggi.
“Alla fine, si tratta di ecosistemi che si evolvono insieme”, afferma Braakman. “Con queste zattere di chitina, sia gli artropodi che i cianobatteri sono stati in grado di espandersi nell’oceano aperto. In definitiva, questo ha contribuito a seminare l’ascesa dei moderni ecosistemi marini”.
Questa ricerca è stata supportata dalla Simons Foundation, dalla borsa di studio a lungo termine EMBO e dal programma Human Frontier Science. Questo articolo è un contributo della Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology (SCOPE).
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
