Dovezile fosile ale fotosintezei îmbătrânesc cu un miliard de ani

Mergând înapoi –

Resturile de celule din două situsuri prezintă structuri similare cu cele din celulele actuale.

Nu este o exagerare să sugerăm că cel mai semnificativ eveniment de pe Pământ a fost evoluția fotosintezei. Capacitatea de a recolta energie din lumină a eliberat viața de nevoia de a elimina energia din mediul său. Cu această nouă capacitate, viața a crescut în complexitate și a invadat noi medii, transformând în cele din urmă Pământul.

Pentru un astfel de eveniment esențial, știm remarcabil de puține despre el. Urmărirea prezenței oxigenului în atmosferă sugerează că fotosinteza a evoluat cu cel puțin 2,4 miliarde de ani în urmă, deși creșterea nivelului de oxigen se dovedește a fi impresionant de complicat. Urmărirea variațiilor genelor actuale plasează originea fotosintezei la aproximativ 3 miliarde de ani în urmă. Acest moment este similar cu originea cianobacteriilor fotosintetice, care ambele continuă să trăiască independent și au fost încorporate în celulele plantei sub formă de cloroplaste.

Ceea ce nu avem este dovezi clare ale celulelor fotosintetice de vârstă similară. Au fost identificate câteva microfosile cu asemănări cu cianobacteriile, dar este imposibil de determinat dacă produc proteinele care alimentează fotosinteza. Acum, noi fosile descrise de o echipă de la Universitatea din Liège împing dovezile clare ale fotosintezei înapoi cu peste un miliard de ani până la 1,7 miliarde de ani în urmă.

Ce este un tilacoid?

Lucrarea se bazează pe identificarea structurilor numite membrane tilacoide. Acestea sunt stive de membrane în formă de disc care măresc suprafața din interiorul celulei care poate găzdui complexele proteice fotosintetice. Nu toate cianobacteriile actuale au membrane tilacoide, dar sunt prezente în cloroplastele celulelor vegetale.

Pentru a căuta tilacoizi, cercetătorii au obținut corpuri mici asemănătoare celulelor din rocile sedimentare din mai multe locuri. Ei au realizat secțiuni ultra-subțiri ale acestor roci și apoi au efectuat microscopie electronică pentru a rezolva unele dintre detaliile din interiorul celulelor. Acest lucru le-a permis să capteze caracteristici care aveau doar câteva zeci de nanometri diametru.

Două dintre locații aveau celule cu membrane interne multistratificate, care sunt tipice pentru tilacoizi. Acestea au fost Formația McDermott din Australia și Formația Grassy Bay din Canada arctică. Acesta din urmă are peste un miliard de ani, ceea ce este substanțial mai vechi decât orice dovadă anterioară de tilacoizi. Dar Formația McDermott are o vechime de peste 1,7 miliarde de ani, ceea ce înseamnă că dovezile fosile pentru aceste structuri sunt acum cu 1,2 miliarde de ani mai devreme decât a avut-o.

În același timp, fosilele aparente de cianobacterie din Republica Democratică Congo, care au un miliard de ani, nu au indicii ale membranelor tilacoide. După cum s-a menționat, există încă specii de cianobacterii în jurul valorii de astăzi, cărora le lipsesc aceste structuri, așa că se pare că aceste linii au fost separate de ceva timp.

Revenind in timp

Deși importante în sine, constatările sunt în mare parte semnificative pentru implicațiile lor. Datele moleculare sugerează că împărțirea dintre cele două grupuri de cianobacterii – cu și fără tilacoizi – are loc chiar mai devreme. Au existat, de asemenea, unele propuneri că evoluția membranelor tilacoide a dat fotosintezei impulsul necesar pentru a declanșa Marele Eveniment de Oxigenare, unde nivelurile de oxigen din atmosferă au crescut semnificativ pentru prima dată.

Arătând că a fost posibilă identificarea membranelor tilacoide în ciuda vârstei imense, cercetătorii din spatele acestei lucrări oferă un impuls puternic pentru a verifica prezența lor în timpul evenimentelor evolutive cheie. Dovezile fosile ar putea ajunge în cele din urmă cu dovezile genetice și chimice atunci când vine vorba de evoluția fotosintezei.

Natura, 2024. DOI: 10.1038/s41586-023-06896-7 (Despre DOI).