i probabili rapporti fra gli episodi di "Terra a Palla di neve" del Criogeniano e l'evoluzione della vita sulla Terra

La Terra nel Criogeniano: le glaciazioni 
erano presenti anche a latitudini tropicali (Li et al, 2008)

Il Criogeniano è un periodo fondamentale della storia della Terra, in quanto vi si trovano due episodi di Snowball-Earth (la Terra a palla di neve) che sono stati probabilmente innescati da un ulteriore calo del tenore di CO2 atmosferico. Se durante queste glaciazioni globali si è verificata una drammatica erosione dei continenti, che avrebbe provocato la "grande discordanza" (ne ho parlato qui), il post-glaciazione è stato teatro di una accelerazione dei processi biologici che ha portato alla ribalta Animalia. Tutto questo non si vede da tracce fossili convenzionali, ma da fossili molecolari, in particolare steroli e sterani e suggerisce pure un cambiamento fondamentale nel modo di nutrirsi alla base - appunto - della emersione di Animalia.

Gli episodi di Snowball Earth (Terra – Palla di neve) del criogeniano, il secondo periodo dell’era neoproterozoica, tra 720 e 635 milioni di anni fa sono più o meno contemporanei alla espansione delle prime forme di vita riferibili ad Animalia. Purtroppo non è che quel periodo abbondi di testimonianze fossili, ma per fortuna con le nuove tecnologie è possibile recuperare dai pochi sedimenti dell’epoca tracce chimiche di vita, i cosiddetti fossili molecolari.

Al giorno d'oggi, la maggior parte degli animali utilizza i colesterolo - steroli con 27 atomi di carbonio (C27) nelle loro membrane cellulari. Funghi e piante invece utilizzano fitosteroli (i funghi tipicamente steroli C28, mentre le piante e le alghe verdi steroli C29)

Il tutto ha portato ad ipotizzare che gli antichi sterani C27 abbiano avuto origine dal colesterolo, il principale sterolo prodotto dalle alghe rosse e dagli animali viventi, mentre gli sterani C28 e C29 deriverebbero dagli steroli di funghi preistorici, alghe verdi e altri eucarioti microbici.

I FOSSILI MOLECOLARI. I lipidi possono sopravvivere nelle rocce per centinaia di milioni di anni e quindi si possono definire fossili molecolari, ed è proprio grazie allo studi dei lipidi che i paleontologi riescono a ricavare degli indizi sulla vita di quei tempi lontanissimi, anche se – ovviamente – senza fossili reali è difficile dire molto sugli animali o sulle piante da cui provengono questi steroli. Le prime tracce di lipidi sterolici, che provengono dalle membrane cellulari, sono state trovate in rocce di 1,6 miliardi di anni fa, nella Barney Creek Formation, in Australia Settentrionale (Brooks et al, 2008). 

Sempre Brooks et al (2010) hanno evidenziato steroli C27, quindi quelli legati ad Animalia, in rocce di 850 milioni di anni (quindi nel Toniano, il primo periodo del Neoproterozoico), mentre tracce di C28 e C29 compaiono circa 200 milioni di anni dopo (il che per vari versi mi pare controintuitivo, in futuro cercherò di capire il perché). Si ritiene che ciò rifletta la crescente diversità della vita in tutto il Neoproterozoico. In seguito lo stesso gruppo (Brooks et al, 2017) attraverso lo studio di una documentazione fossile molecolare di steroidi eucariotici ha dimostrato che i batteri erano gli unici produttori primari degni di nota negli oceani prima del Criogeniano (720-635 milioni di anni fa). 

L’aumento della diversità e dell’abbondanza di steroidi segna il rapido aumento delle alghe planctoniche marine nello stretto intervallo di tempo tra le glaciazioni Sturtiana e Marinoana della “Terra palla di neve”, 659-645 milioni di anni fa. È interessante notare come questo evento sia contemporaneo ad un un picco nei rapporti fosforo-ferro nei sedimenti marini, indicante concentrazioni insolitamente elevate di fosfato (Planavsky et al 2010).

Quindi Brooks et al (2023) ipotizzano che una ondata di nutrienti forniti dalla deglaciazione dopo il primo degli episodi di snowball Earth (lo Sturtiano) abbia diminuito l'influenza dei cianobatteri e innescato un ’“aumento delle alghe”: in questo modo si sono formate delle reti alimentari con trasferimenti di nutrienti ed energia più efficienti, spingendo gli ecosistemi verso organismi più grandi e sempre più complessi. Di fatto è proprio dopo lo Sturtiano che compaiono biomarcatori per le spugne (Love et al 2007).

la storia dei fitosteroli nel Criogeniano (Brunoir et al 2023)

LA PRODUZIONE DI FITOSTEROLI. Brunoir et al (2023) combinando geologia e genetica, mostrando come i cambiamenti avvenuti nella Terra primordiale abbiano provocato un cambiamento nel modo in cui gli animali mangiano. La maggior parte degli animali non è in grado di produrre da sola i fitosteroli, ma può ottenerli mangiando piante o funghi. Pare logico visto quanto ho scritto qui sopra, ma recentemente è stato scoperto che negli anellidi come il comune lombrico, c'è un gene, il gene  smt, che produce steroli a catena più lunga. Osservando i geni smt di diversi animali Brunoir et l (2023) hanno creato un albero genealogico per il gene smt, prima all’interno degli anellidi, poi in Animalia: questo gene ha avuto origine molto indietro nel tempo, e poi ha subito rapidi cambiamenti nello stesso periodo in cui i fitosteroli sono apparsi nelle rocce. Successivamente, la maggior parte delle linee animali ha perso il gene smt. Da notare che questo albero della vita è riferibile a quello di Schultz et al (2023) di cui ho parlato proprio a proposito dell’origine di Animalia.

GLI ANIMALI HANNO PERSO LA CAPACITÀ DI PRODURRE FITOSTEROLI PERCHÈ È PIÙ FACILE MANGIARLI CHE PRODURLI? I fossili molecolari di fitosterolo registrano l'aumento delle alghe negli antichi oceani e a cascata la scomparsa del gene smt. L’ipotesi di Brunoir et al (2023) è che gli antenati di Animalia fossero in grado di produrre steroli C28+; però, in seguito, molte linee animali avrebbero abbandonato indipendentemente fra loro la produzione di fitosterolo intorno alla fine del Neoproterozoico, in coincidenza con l'aumento di abbondanti prede eucariotiche. 

Quindi la storia del gene smt potrebbe raccontare un cambiamento nelle strategie di alimentazione degli animali all'inizio della loro evoluzione. 

BIBLIOGRAFIA

Brocks et al (2008) A biomarker for purple sulfur bacteria (Chromatiaceae), and other new carotenoid derivatives from the 1640 Ma Barney Creek Formation. Geochim et. Cosmo- chim Acta 72, 1396–1414 (2008).

Brocks et al. (2017) The rise of algae in Cryogenian oceans and the emergence of animals. Nature 548, 578 (2017). 

Brunoir et al (2023) Common origin of sterol biosynthesis points to a feeding strategy shift in Neoproterozoic animals. Nat Commun 14, 7941

Li et al (2008) Assembly, configuration, and break-up history of Rodinia: A synthesis Precambrian Res. 160, 179–210

Love et al. (2009)  Fossil steroids record the appearance of Demospongiae during the Cryogenian period. Nature 457, 718–721 

Planavsky et al. (2010) The evolution of the marine phosphate reservoir. Nature 467, 1088–1090 

Schultz et al (2023) Ancient gene linkages support ctenophores as sister to other animals Nature618, 110–117