Novità dalla storia della Terra: come i cianobatteri produttori di ossigeno hanno reso possibile la nostra vita

Achim Herrmann studia la diffusione delle prime cianobatteri. (Foto: Koziel/TUK)

Achim Herrmann si sta specializzando presso Michelle Gehringer nel campo della Geomicrobiologia. (Foto: Koziel/TUK)

Circa 2,43 miliardi di anni fa iniziò la «Grande Catastrofe dell'Ossigeno» (GOE o «Great Oxygenation Event»): L'atmosfera terrestre si arricchì continuamente di ossigeno, un sottoprodotto della fotosintesi. I responsabili furono, secondo gli scienziati, le cianobatteri che praticavano la fotosintesi. Ma perché questo importante cambiamento avvenne così tardi? La vita cianobatterica esisteva, come mostrano i campioni di roccia, già almeno 300 milioni di anni prima del GOE. Risposte sulla pista è Achim Herrmann, che nella sua tesi di dottorato presso il TU Kaiserslautern ha studiato la diffusione delle prime cianobatteri. Il suo attuale articolo di ricerca è ora stato pubblicato sulla rivista scientifica Nature Communications.

«Esistono molte teorie scientifiche che si intrecciano e spiegano perché la diffusione dei cianobatteri, necessaria per il GOE o la catastrofe dell'ossigeno, sia stata ritardata», spiega Herrmann, che ha conseguito il dottorato nel campo della geomicrobiologia sotto la supervisione di Michelle Gehringer. «Ad esempio, che possano essersi originati in acque dolci, che all'epoca come oggi costituivano solo una frazione della superficie terrestre. Solo quando si adattarono a acque più salate e infine divennero residenti negli oceani aperti, poterono formare quantità sufficienti di biomassa per provocare un cambiamento globale nell'atmosfera terrestre.» Un'altra teoria suggerisce che le acque marine ricche di ferro abbiano inizialmente avuto un effetto tossico sui batteri fotosintetici. Il ferro si era accumulato nell'epoca anossica della Terra, chiamata «Archeano», principalmente sotto forma di ioni di ferro(II) solubili e ridotti nell'oceano.

Herrmann ha collegato la sua ricerca all'ipotesi del veleno di ferro. «Volevamo verificare se il ferro(II) non solo ostacolasse la crescita e la fotosintesi di ceppi marini primitivi, in particolare Pseudanabaena sp. PCC7367 e Synechococcus sp. PCC7336», così il biologo.

Si è rapidamente evidenziato quanto sia decisivo il metodo sperimentale. Nel sistema già consolidato – i batteri vengono coltivati in bottiglie di vetro chiuse – si sviluppavano generalmente male: «L'attività biologica di entrambi i ceppi era molto bassa, in Synechococcus addirittura quasi completamente soppressa», spiega il biologo. La soluzione: «Una stazione di lavoro anaerobica appositamente realizzata dal laboratorio di metallurgia della TUK, in cui la composizione dell'atmosfera può essere regolata automaticamente», dice il biologo. «In essa abbiamo coltivato i cianobatteri in grandi bottiglie di laboratorio con coperchi permeabili al gas, per consentire lo scambio di gas. L'ossigeno prodotto veniva regolarmente rimosso dal sistema, mantenendo il biossido di carbonio a concentrazione costante e bassa. Così abbiamo potuto realizzare un'oasi di ossigeno marina poco profonda, come implicato in campioni di roccia dell'Archeano.»

Come previsto, si è dimostrato che i cianobatteri si sentivano «più a loro agio» nell'ambiente più realistico. Ma cosa succedeva con l'aggiunta singola di ferro a concentrazioni crescenti? I batteri del ceppo Pseudanabaena sono cresciuti bene in generale – anche se più lentamente rispetto al sistema di controllo parallelo. Per i batteri del ceppo Synechococcus, invece, si è chiaramente visto che con l'aumento della quantità di ferro, la velocità di divisione cellulare diminuiva. Un'altra scoperta: l'ossigeno prodotto ossidava principalmente gli ioni Fe(II) disciolti anziché sfuggire nell'atmosfera. E la capacità di produzione di ossigeno dei ceppi raggiungeva valori significativamente più alti nell'ambiente di prova anossico rispetto a un sistema di controllo con atmosfera ossica, come ci circonda oggi.

Inoltre, in questo sistema si è osservata la formazione del cosiddetto «ruggine verde», una forma mista di ferro(II) e ferro(III) ossidato. La formazione di questa ruggine verde era accompagnata da una forte diminuzione dell'attività biologica, probabilmente a causa della «cristallizzazione» delle cellule con ossidi di ferro. Durante l'Archeano, la formazione di questa ruggine verde potrebbe aver contribuito in modo decisivo alla formazione di minerali di ferro bandato, oggi la principale fonte di minerali di ferro grezzo.

Infine, Herrmann ha modificato nuovamente lo scenario sperimentale e ha adattato l'aggiunta di ferro a un ciclo di marea simulato. L'aggiunta avveniva inizialmente regolarmente all'inizio della notte, quando la concentrazione di ossigeno nel mezzo calava verso lo zero a causa della mancanza di attività fotosintetica. Successivamente, la crescita si rallentava notevolmente in entrambi i ceppi, ma non si arrestava completamente. Ciò dimostrava che un'oasi di ossigeno dell'Archeano poteva anche tollerare l'afflusso di acqua ricca di ferro durante la notte. Anche in questo caso si è formata la ruggine verde, che però poteva essere rapidamente ulteriormente ossidata, evitando così un completo arresto della crescita.

In generale, con il suo lavoro di ricerca Herrmann ha colmato ulteriori lacune nel puzzle della storia della Terra. È riuscito a rappresentare come potrebbe essere avvenuto il ciclo del ferro in un'oasi di ossigeno arcaica e anche che, a causa della maggiore produzione di ossigeno, probabilmente sarebbe stata necessaria una superficie meno popolata per l'inizio del GOE. Inoltre, ha sviluppato un metodo per la coltivazione di cianobatteri che meglio rappresenta le condizioni di vita dell'Archeano.

«Spero che il mio articolo di ricerca possa contribuire a migliorare la nostra comprensione di come si sia potuta sviluppare l'atmosfera ricca di ossigeno», conclude il biologo.

Informazioni sull'articolo di ricerca pubblicato:
Herrmann A.J., Sorwat J., Byrne J.M., Frankenberg-Dinkel, N. e Gehringer M.M.
«Ciclo diurno Fe(II)/Fe(III) e produzione aumentata di O2 in un'oasi di ossigeno marino archeico simulato»
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22258-1
DOI: 10.1038/s41467-021-22258-1

Domande a cui risponde:
Achim Herrmann
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Tel.: (0)631 205-2199