CRONACA – Per la maggior parte degli esseri viventi, l’ossigeno è necessario alla sopravvivenza. Ma l’atmosfera del pianeta non ha sempre contenuto questo elemento, e uno dei misteri più profondi della scienza riguarda come e quando abbia avuto inizio la fotosintesi clorofilliana, il processo responsabile della produzione d’ossigeno sulla Terra attraverso la scissione delle molecole d’acqua, la fotolisi. Un gruppo di geobiologi del California Institute of Technology (meglio noto come Caltech) ha trovato una prova dell’esistenza di un sistema precursore della fotosintesi e la cui base, invece dell’ossigeno, è il manganese. Il sistema precederebbe cronologicamente la comparsa dei cianobatteri, il primo gruppo di organismi capaci di servirsi della fotosintesi per rilasciare ossigeno nell’ambiente.
Secondo lo studio, pubblicato sulla rivista PNAS, l’ossidazione del manganese – che, nonostante il nome, è una reazione chimica in cui l’ossigeno non deve per forza entrare in gioco – avrebbe costituito un punto di transizione verso l’ossidazione dell’acqua nella fotosintesi dei cianobatteri.
“L’ossidazione, o scissione, dell’acqua si è innescata per la prima volta nei cianobatteri circa 2,4 miliardi di anni fa, per poi essere presa in prestito da altri organismi”, spiega Woodward Fischer, docente di geobiologia al Caltech e coautore dello studio. “Le alghe per prime hanno preso in prestito questo sistema fotosintetico dai cianobatteri, e le piante sono solo un gruppo di alghe che ha portato la fotosintesi sulle terre emerse: con la nostra scoperta, è come se fossimo riusciti a osservare il momento d’inizio del macchinario molecolare che avrebbe dato origine all’ossigeno”.
La fotosintesi è il processo per cui l’energia del sole è usata dalle piante e da altri organismi per scindere le molecole di acqua e di anidride carbonica per produrre carboidrati e ossigeno. Perché il processo di rottura funzioni, c’è bisogno del manganese: così, quando i ricercatori hanno cominciato a chiedersi quali passi evolutivi potessero aver portato a un’atmosfera ricca d’ossigeno sulla Terra, hanno pensato di cercare prove di una fotosintesi capace di ossidare il manganese e che precedesse i cianobatteri. Poiché l’ossidazione prevede semplicemente il trasferimento di elettroni per aumentare la carica di un atomo, e ciò può essere ottenuto usando la luce o l’ossigeno, potrebbe essere accaduta prima dell’apparizione dell’ossigeno sul pianeta.
“Il manganese ha un ruolo essenziale nel processo di fotolisi in biologia moderna: è un catalizzatore necessario nel processo, lo velocizza. Quindi, una sintesi che ossidi il manganese ha senso come potenziale sistema di transizione”, sostiene Jena Johnson, studentessa nel laboratorio di Fischer al Caltech e prima autrice dello studio.
Per testare l’ipotesi che la fotosintesi al manganese fosse avvenuta prima dell’evoluzione dei cianobatteri, i ricercatori hanno esaminato delle ‘carote’ di rocce sedimentarie marine provenienti dal Sudafrica e risalenti a 2,4 miliardi di anni fa, contenenti notevoli depositi di manganese. Il manganese è solubile in acqua salata: se non si trova vicino a forti ossidanti che accettino i suoi elettroni, il manganese resta acquoso, spiega Fischer, ma nel momento stesso in cui si ossida o perde elettroni, il manganese precipita, formando un solido che può concentrarsi all’interno dei sedimenti sul fondale marino.
Il gruppo californiano, una volta confermato con alcuni test che il manganese si era depositato in fase di ossido al momento di formazione delle rocce e non era stato invece portato lì da sorgenti idrotermali, ha cercato di capire se l’ossido di manganese si fosse effettivamente formato prima della fotosintesi capace di fotolisi o se invece si fosse formato in seguito a reazioni con l’ossigeno. Usando due diverse tecniche per capire se l’ossigeno fosse presente o meno, i ricercatori sono giunti alla conclusione che non lo era, dimostrando così che la fotosintesi non si era ancora evoluta all’epoca. Il manganese dei depositi si era ossidato e depositato prima dell’apparizione dei cianobatteri fotolitici. Questo risultato implica, secondo il gruppo, che la fotosintesi al manganese è stato un punto di passaggio verso quella che poi ha dato origine all’ossigeno.
“A questo punto, viene spontaneo chiedersi se si possa creare un sistema capace di ossidare il manganese ma non di scindere l’acqua, e come si comporti. Non conosciamo ancora esattamente il meccanismo della scissione dell’acqua, ma ora che sappiamo da dove viene, potremo capire anche come funzioni la fotolisi, il che – conclude Fischer – sarebbe utilissimo in vista di tecnologie capaci di produrre energia dalla fotosintesi artificiale”.
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