Gli scienziati dell’Università del Queensland hanno contribuito a costruire una linea temporale dettagliata dell’evoluzione batterica, suggerendo che alcuni batteri utilizzassero l’ossigeno molto prima di sviluppare la capacità di produrlo attraverso la fotosintesi.
La collaborazione multinazionale, guidata tra l’altro da ricercatori dell’Okinawa Institute of Science and Technology, dell’Università di Bristol, della Queensland University of Technology e dell’Università del Queensland, si è concentrata su come i microrganismi abbiano risposto al Grande Evento di Ossidazione (GOE, dall’inglese Great Oxygenation Event), avvenuto circa 2,33 miliardi di anni fa, che trasformò l’atmosfera terrestre da quasi priva di ossigeno a una in grado di supportare la respirazione umana.
L’evoluzione batterica, cosa ci dice il machine learning?
Il professor Phil Hugenholtz della Scuola di Chimica e Bioscienze Molecolari dell’UQ ha spiegato che fino ad ora è stato difficile stabilire con precisione le tempistiche dell’evoluzione batterica prima, durante e dopo il GOE, a causa dell’incompletezza delle prove fossili.
“La maggior parte della vita microbica non lascia tracce fossili dirette, il che significa che i fossili mancano per la maggior parte della storia della vita sulla Terra“, ha dichiarato il professor Hugenholtz riguardo l’evoluzione batterica.
Hugenholtz ha poi aggiunto “Ma sappiamo che le rocce antiche contengono indizi chimici su come vivevano e si nutrivano i batteri, e siamo riusciti a colmare le lacune analizzando contemporaneamente i dati geologici e genomici; l’innovazione chiave è stata usare il GOE come confine temporale, assumendo che la maggior parte dei rami aerobici dei batteri difficilmente sia più antica di questo evento, a meno che segnali fossili o genetici suggerissero il contrario.“
Il team ha prima stimato quali geni fossero presenti nei genomi ancestrali per capire l’evoluzione batterica nel tempo e successivamente, ha utilizzato l’apprendimento automatico per prevedere se ciascun antenato utilizzasse o meno l’ossigeno per vivere.
Evoluzione batterica e fossili per tracciare la cronistoria dei batteri
Per sfruttare al meglio i dati fossili, i ricercatori hanno incluso geni dei mitocondri (collegati agli alfaproteobatteri) e dei cloroplasti (collegati ai cianobatteri), il che ha permesso loro di usare dati provenienti dalle prime cellule complesse per stimare meglio quando si verificarono determinati eventi.
“I risultati mostrano che almeno tre linee aerobiche sono comparse prima del GOE – quasi 900 milioni di anni prima – suggerendo che la capacità di utilizzare ossigeno si sia evoluta molto prima della sua accumulazione diffusa nell’atmosfera“, ha detto il professor Hugenholtz, sostenendo poi che “Le prove indicano che la prima transizione aerobica si verificò circa 3,2 miliardi di anni fa nell’antenato dei cianobatteri, il ché indica la possibilità che il metabolismo aerobico sia avvenuto prima dell’evoluzione della fotosintesi ossigenica.“
L’autore principale, il dottor Adrián Arellano Davín, ha affermato che l’approccio combinato di dati genomici, fossili e storia geochimica terrestre ha unito tecnologie all’avanguardia per chiarire le linee temporali evolutive.
“Utilizzando l’apprendimento automatico per prevedere la funzione cellulare, possiamo non solo prevedere i metabolismi aerobici dei batteri ancestrali, ma anche iniziare a usare genomi incompleti per cercare di prevedere altri tratti che potrebbero avere un impatto sul mondo attuale, come la potenziale resistenza agli antibiotici di alcuni batteri“, ha detto il dottor Davín.
Considerazioni finali su evoluzione batterica e apprendimento automatico
Da questo studio si deduce pertanto che i primi batteri aerobici emersero nell’Archeano, anticipando il GOE di 900 milioni di anni.
Dopo il GOE, i lignaggi aerobici hanno sperimentato una diversificazione più rapida rispetto alle loro controparti anaerobiche, evidenziando l’impatto dell’ossigenazione atmosferica sull’evoluzione batterica, pertanto l’approccio sviluppato qui fornisce un quadro per collegare i tratti microbici alla storia geochimica della Terra, offrendo un percorso per esplorare l’evoluzione di altri fenotipi nel contesto della storia della Terra.