Piccoli Conquistatori degli Oceani: Come gli Antenati dei Microbi Prochlorococcus Dominarono i Mari su Zattere di Esoscheletro

Nuove ricerche suggeriscono che gli antenati costieri antichi del microbo Prochlorococcus hanno colonizzato l'oceano attraverso il rafting su particelle di chitina. Credito: Jose-Luis Olivares/MIT

Uno nuovo studio mostra che il fitoplancton che cattura il carbonio ha colonizzato l'oceano attraverso il rafting su particelle di chitina.

Ricercatori del MIT hanno scoperto che il Prochlorococcus, un fitoplancton vitale, probabilmente ha utilizzato la chitina degli esoscheletri antichi come zattere per avventurarsi in acque aperte, evolvendo per assorbire quasi tanto CO2 quanto le foreste terrestri e modellando la biosfera dell'intera Terra.

In tutto l'oceano, miliardi di microrganismi simili alle piante formano una foresta fluttuante invisibile. Mentre galleggiano, questi minuscoli organismi usano la luce del sole per assorbire il biossido di carbonio dall'atmosfera. Collettivamente, questi fitoplancton che effettuano la fotosintesi, o fitoplancton, assorbono quasi tanto CO2 quanto le foreste terrestri del mondo. Una frazione misurabile del loro potere di cattura del carbonio proviene dal Prochlorococcus, un galleggiante verde smeraldo che è il fitoplancton più abbondante negli oceani di oggi.

Tuttavia, il Prochlorococcus non ha sempre abitato acque aperte. Gli antenati del microbo probabilmente sono rimasti più vicini alle coste, dove i nutrienti erano abbondanti e gli organismi sopravvivevano in tappeti microbici comuni sul fondale marino. Come sono quindi finiti i discendenti di questi abitanti costieri come i motori fotosintetici degli oceani aperti di oggi?

Gli scienziati del MIT ritengono che il rafting sia la chiave. In un nuovo studio, propongono che gli antenati del Prochlorococcus abbiano acquisito la capacità di attaccarsi alla chitina - le particelle degradate degli esoscheletri antichi. I microrganismi si sono aggrappati a fiocchi in transito, utilizzando le particelle come zattere per avventurarsi più lontano in mare. Queste zattere di chitina possono anche aver fornito nutrienti essenziali, alimentando e sostenendo i microbi lungo il loro viaggio.

Cosi fortificati, generazioni di microrganismi possono aver poi avuto l'opportunità di sviluppare nuove capacità per adattarsi all'oceano aperto. Alla fine, avrebbero evoluto fino a un punto in cui avrebbero potuto saltare da soli e sopravvivere come gli abitanti degli oceani galleggianti liberi di oggi.

"Se Prochlorococcus e altri organismi fotosintetici non avessero colonizzato l'oceano, staremmo guardando un pianeta molto diverso", afferma Rogier Braakman, un ricercatore scientifico nel Dipartimento di Terra, Atmosferica e Scienze Planetarie del MIT (EAPS). "È stato il fatto che sono stati in grado di attaccarsi a queste zattere di chitina che gli ha permesso di stabilire una base in una porzione 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 "zattera di chitina", insieme a esperimenti ed analisi genetiche che supportano l'idea, in uno studio pubblicato il 9 maggio su PNAS.

Coautori del MIT sono Giovanna Capovilla, Greg Fournier, Julia Schwartzman, Xinda Lu, Alexis Yelton, Elaina Thomas, Jack Payette, Kurt Castro, Otto Cordero e il professor d'istituto del MIT Sallie (Penny) Chisholm, insieme a colleghi provenienti da istituzioni multiple compresa la Woods Hole Oceanographic Institution.

Prochlorococcus è uno dei due gruppi principali appartenenti ad una classe conosciuta come picocianobatteri, che sono i più piccoli organismi fotosintetici del pianeta. L'altro gruppo è costituito da Synechococcus, un microbo strettamente correlato che si trova abbondantemente nei sistemi oceanici e di acqua dolce. Entrambi gli organismi guadagnano da vivere attraverso la fotosintesi.

Ma alcune forme di Prochlorococcus possono adottare stili di vita alternativi, in particolare in regioni poco illuminate dove la fotosintesi è difficile da mantenere. Questi microrganismi sono "mixotrofici", utilizzando una combinazione di altre strategie per catturare il carbonio per crescere.

Ricercatori nel laboratorio di Chisholm stavano cercando segni di mixotrofia quando hanno inciampato in un gene comune in diverse moderne forme di Prochlorococcus. Il gene codificava la capacità di rompere la chitina, un materiale ricco di carbonio che proviene dalle conchiglie che cadono dagli artropodi, come insetti e crostacei.

"È stato molto strano", afferma Capovilla, che ha deciso di scavare più a fondo nella scoperta quando si è unita al laboratorio come post-doc.

Per il nuovo studio, Capovilla ha effettuato esperimenti per vedere se il Prochlorococcus può effettivamente degradare la chitina in modo utile. Lavori precedenti nel laboratorio hanno mostrato che il gene di degradazione della chitina è presente in forme di Prochlorococcus che vivono in condizioni di luce bassa e in Synechococcus. Il gene mancava in Prochlorococcus che abitavano regioni più illuminate dal sole.

In the lab, Capovilla introduced chitin particles into samples of low-light and high-light strains. She found that microbes containing the gene could degrade chitin, and of these, only low-light-adapted Prochlorococcus seemed to benefit from this breakdown, as they appeared to also grow faster as a result. The microbes could also stick to chitin flakes — a result that particularly interested Braakman, who studies the evolution of metabolic processes and the ways they have shaped the Earth’s ecology.

“People always ask me: How did these microbes colonize the early ocean?” he says. “And as Gio was doing these experiments, there was this ‘aha’ moment.”

Braakman wondered: Could this gene have been present in the ancestors of Prochlorococcus, in a way that allowed coastal microbes to attach to and feed on chitin, and ride the flakes out to sea?

To test this new “chitin raft” hypothesis, the team looked to Fournier, who specializes in tracing genes across species of microbes through history. In 2019, Fournier’s lab established an evolutionary tree for those microbes that exhibit the chitin-degrading gene. From this tree, they noticed a trend: Microbes start using chitin only after arthropods become abundant in a particular ecosystem.

For the chitin raft hypothesis to hold, the gene would have to be present in ancestors of Prochlorococcus soon after arthropods began to colonize marine environments.

The team looked to the fossil record and found that aquatic species of arthropods became abundant in the early Paleozoic, about half a billion years ago. According to Fournier’s evolutionary tree, that also happens to be around the time that the chitin-degrading gene appears in common ancestors of Prochlorococcus and Synecococchus.

“The timing is quite solid,” Fournier says. “Marine systems were becoming flooded with this new type of organic carbon in the form of chitin, just as genes for using this carbon spread across all different types of microbes. And the movement of these chitin particles suddenly opened up the opportunity for microbes to really make it out to the open ocean.”

The appearance of chitin may have been especially beneficial for microbes living in low-light conditions, such as along the coastal seafloor, where ancient picocyanobacteria are thought to have lived. To these microbes, chitin would have been a much-needed source of energy, as well as a way out of their communal, coastal niche.

Braakman says that once out at sea, the rafting microbes were sturdy enough to develop other ocean-dwelling adaptations. Millions of years later, the organisms were then ready to “take the plunge” and evolve into the free-floating, photosynthesizing Prochlorococcus that exist today.

“In the end, this is about ecosystems evolving together,” Braakman says. “With these chitin rafts, both arthropods and cyanobacteria were able to expand into the open ocean. Ultimately, this helped to seed the rise of modern marine ecosystems.”