Em algum momento no ini­cio da história da Terra, o planeta deu uma guinada em direção a  habitabilidade quando um grupo de micróbios empreendedores conhecidos como cianobactanãrias desenvolveram a fotossa­ntese oxigenada - a capacidade de transformar luz e águaem energia, liberando oxigaªnio no processo.

Esse momento evolutivo possibilitou que o oxigaªnio eventualmente se acumulasse na atmosfera e nos oceanos, desencadeando um efeito domina³ de diversificação e moldando o planeta habita¡vel com exclusividade que conhecemos hoje.

Agora, os cientistas do MIT tem uma estimativa precisa de quando as cianobactanãrias e a fotossa­ntese oxigenada se originaram. Seus resultados aparecem nos Proceedings of the Royal Society B.

Eles desenvolveram um novo gene técnica de análise de que mostra que todas as espanãcies de cianobactanãrias que vivem hoje podem ser rastreadas atéum ancestral comum que evoluiu cerca de 2,9 bilhaµes de anos atrás. Eles também descobriram que os ancestrais das cianobactanãrias se ramificaram de outras bactanãrias hácerca de 3,4 bilhaµes de anos, com a fotossa­ntese oxigenada provavelmente evoluindo durante meio bilha£o de anos intermediários, durante o a‰on Arqueano.

Curiosamente, esta estimativa coloca o aparecimento da fotossa­ntese oxigenada pelo menos 400 milhões de anos antes do Grande Evento de Oxidação, um período em que a atmosfera da Terra e os oceanos experimentaram pela primeira vez um aumento no oxigaªnio. Isso sugere que as cianobactanãrias podem ter desenvolvido a capacidade de produzir oxigaªnio no ina­cio, mas demorou um pouco para que esse oxigaªnio realmente se instalasse no ambiente.

"Na evolução, as coisas sempre comea§am pequenas", diz o autor principal Greg Fournier, professor associado de geobiologia do Departamento de Ciências da Terra, Atmosfanãricas e Planeta¡rias do MIT. "Embora haja evidaªncias da fotossa­ntese oxigenada precoce - que éa inovação evolutiva mais importante e realmente incra­vel na Terra - ainda demorou centenas de milhões de anos para ela decolar."

Os coautores do MIT de Fournier incluem Kelsey Moore, Luiz Thiberio Rangel, Jack Payette, Lily Momper e Tanja Bosak.

As estimativas para a origem da fotossa­ntese oxigenada variam amplamente, junto com os manãtodos para rastrear sua evolução.

Por exemplo, os cientistas podem usar ferramentas geoquímicas para procurar vesta­gios de elementos oxidados em rochas antigas. Esses manãtodos encontraram inda­cios de que o oxigaªnio estava presente há3,5 bilhaµes de anos - um sinal de que a fotossa­ntese oxigenada pode ter sido a fonte, embora outras fontes também sejam possa­veis.

Os pesquisadores também usaram a datação por rela³gio molecular, que usa as sequaªncias genanãticas dos micróbios atuais para rastrearmudanças nos genes ao longo da história evolutiva. Com base nessas sequaªncias, os pesquisadores usam modelos para estimar a taxa em que asmudanças genanãticas ocorrem, para rastrear quando grupos de organismos evolua­ram pela primeira vez. Mas a datação do rela³gio molecular élimitada pela qualidade dos fa³sseis antigos e pelo modelo de taxa escolhido, que pode produzir diferentes estimativas de idade, dependendo da taxa presumida.

Fournier diz que diferentes estimativas de idade podem implicar em narrativas evolutivas conflitantes. Por exemplo, algumas análises sugerem que a fotossa­ntese oxigenada evoluiu muito cedo e progrediu "como um fusa­vel lento", enquanto outras indicam que apareceu muito mais tarde e "decolou como um incaªndio" para desencadear o Grande Evento de Oxidação e o acaºmulo de oxigaªnio na biosfera .

“Para entendermos a história da habitabilidade na Terra, éimportante distinguirmos entre essas hipa³teses”, diz ele.

Para datar com precisão a origem das cianobactanãrias e da fotossa­ntese oxigenada, Fournier e seus colegas emparelharam a datação do rela³gio molecular com a transferaªncia horizontal de genes - um manãtodo independente que não depende inteiramente de fa³sseis ou suposições de taxas.

Normalmente, um organismo herda um gene "verticalmente", quando ele étransmitido de seus pais. Em casos raros, um gene também pode saltar de uma espanãcie para outra, espanãcies remotamente relacionadas. Por exemplo, uma canãlula pode comer outra e, no processo, incorporar alguns novos genes em seu genoma.

Quando essa história de transferaªncia horizontal de genes éencontrada, fica claro que o grupo de organismos que adquiriu o gene éevolutivamente mais jovem do que o grupo do qual o gene se originou. Fournier raciocinou que tais exemplos poderiam ser usados ​​para determinar as idades relativas entre certos grupos bacterianos. As idades desses grupos podem então ser comparadas com as idades que vários modelos de rela³gio molecular prevaªem. O modelo que mais se aproxima provavelmente seria o mais preciso e poderia então ser usado para estimar com precisão a idade de outras espanãcies bacterianas - especificamente, cianobactanãrias.

Seguindo esse racioca­nio, a equipe procurou por insta¢ncias de transferaªncia horizontal de genes nos genomas de milhares de espanãcies bacterianas, incluindo cianobactanãrias. Eles também usaram novas culturas de cianobactanãrias modernas tomadas por Bosak e Moore, para usar mais precisamente cianobactanãrias fa³sseis como calibrações. No final, eles identificaram 34 casos claros de transferaªncia horizontal de genes. Eles então descobriram que um em cada seis modelos de rela³gio molecular correspondia consistentemente a s idades relativas identificadas na análise de transferaªncia horizontal de genes da equipe.

Fournier executou este modelo para estimar a idade do grupo "coroa" de cianobactanãrias, que engloba todas as espanãcies que vivem hoje e que exibem fotossa­ntese oxigenada. Eles descobriram que, durante o anãon arqueano, o grupo da coroa se originou hácerca de 2,9 bilhaµes de anos, enquanto as cianobactanãrias como um todo se ramificaram de outras bactanãrias hácerca de 3,4 bilhaµes de anos. Isso sugere fortemente que a fotossa­ntese oxigenada já estava acontecendo 500 milhões de anos antes do Grande Evento de Oxidação (GOE), e que as cianobactanãrias estavam produzindo oxigaªnio por um longo tempo antes de se acumular na atmosfera.

A análise revelou ainda que, pouco antes do GOE, hácerca de 2,4 bilhaµes de anos, as cianobactanãrias experimentaram um surto de diversificação. Isso implica que uma rápida expansão de cianobactanãrias pode ter lana§ado a Terra no GOE e lana§ado oxigaªnio na atmosfera.

Fournier planeja aplicar a transferaªncia horizontal de genes além das cianobactanãrias para identificar as origens de outras espanãcies indescrita­veis.

"Este trabalho mostra que os rela³gios moleculares que incorporam transferaªncias genanãticas horizontais (HGTs) prometem fornecer de forma confia¡vel as idades dos grupos em toda a a¡rvore da vida, mesmo para micróbios antigos que não deixaram nenhum registro fa³ssil ... algo que antes era impossí­vel", diz Fournier.

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela Simons Foundation e pela National Science Foundation.