Origini nascoste del regno animale e riscrittura dei tempi evolutivi

Un’importante scoperta scientifica condotta dall’Università di Oxford sta ridisegnando le mappe della storia biologica del nostro pianeta. Secondo uno studio pubblicato sulla prestigiosa rivista Science Advances, le prime forme di vita animale potrebbero essere comparse sulla Terra fino a 200 milioni di anni prima di quanto testimoniato in modo chiaro dai fossili finora ritrovati.

Questa rivelazione mette in discussione un dogma paleontologico consolidato, dimostrando che l’assenza di un fossile in un determinato strato roccioso non significa necessariamente che quell’organismo non fosse ancora apparso sulla Terra.

Il mistero dell’esplosione della vita

Per decenni la storia della vita complessa è stata descritta come un evento improvviso. Guardando le rocce antiche, attorno a 539 – 487 milioni di anni fa (nel periodo noto come Cambriano), la documentazione geologica mostra un’improvvisa abbondanza di animali con conchiglie, scheletri e strutture corporee articolate. Questo fenomeno, chiamato Esplosione Cambriana, ha sempre rappresentato un grande enigma per i biologi evoluzionisti.

Gli organismi non nascono dal nulla con strutture complesse. La teoria dell’evoluzione suggerisce che debba esserci stato un lungo periodo antecedente in cui forme di vita più semplici e primitive si sono modellate lentamente. Tuttavia, rintracciare i segni di queste primissime forme animali si è rivelato un compito estremamente difficile.

Il dilemma del sito di Weng’an

Per stabilire quale fosse il limite massimo oltre il quale gli animali non potevano essere ancora comparsi, la comunità scientifica si è affidata a luoghi speciali detti Lagerstätten, giacimenti fosfatici capaci di conservare perfino i dettagli cellulari microscopici.

• La Biota di Weng’an in Cina: risalente a circa 590 milioni di anni fa (era Ediacarana), è da sempre considerata la pietra di paragone principale. Conserva microfossili cellulari straordinari, ma nessun fossile attribuibile con certezza a un animale.

• La deduzione tradizionale: se gli animali fossero esistiti 590 milioni di anni fa, un sito eccezionale come Weng’an avrebbe dovuto conservarne le tracce. L’assenza di fossili animali a Weng’an è stata interpretata per decenni come la prova fondamentale che gli animali si fossero evoluti solo successivamente.

La svolta dalla Mongolia con la Biota di Kheseen

Il team internazionale guidato dal professor associato Ross Anderson dell’Università di Oxford, in collaborazione con la University of California Berkeley, l’ETH di Zurigo e la Yale University, ha deciso di sottoporre questo presupposto a una verifica fondamentale.

I ricercatori hanno analizzato oltre 140 campioni di microfossili provenienti dalla Biota di Kheseen, situata in Mongolia.

L’invisibilità dei fossili di Kheseen

L’analisi condotta con microscopi elettronici a scansione sui campioni mongoli ha rivelato la presenza di acritarchi (minuscole strutture sferiche dotate di spine) e fossili simili a embrioni in perfetto stato di conservazione.

Nonostante la qualità del giacimento e la certezza storica che gli animali esistessero già sulla Terra al tempo della formazione di Kheseen, nessun animale è stato rinvenuto tra quei microfossili.

Come sottolineato dal professor Ross Anderson, questo dimostra che un ambiente di conservazione eccezionale può essere completamente privo di fossili animali anche quando questi popolano già il pianeta. Di conseguenza, l’assenza di animali a Weng’an non dimostra affatto che 590 milioni di anni fa la vita animale non fosse già nata.

Il ricalcolo dell’orologio molecolare

Eliminato il vincolo di Weng’an, i ricercatori hanno potuto ricalibrare i modelli dell’orologio molecolare.

Come funziona l’orologio molecolare

L’orologio molecolare è una tecnica genetica che stima il momento in cui due specie si sono separate da un antenato comune:

• Si confronta il DNA o le sequenze proteiche di organismi viventi.

• Si calcola il numero di mutazioni accumulated nel tempo.

• Conoscendo il tasso medio di mutazione, si stima il tempo trascorso.

• I fossili con datazione certa servono come punti d’ancoraggio geologico per calibrare la velocità dell’orologio.

Spostando i punti d’ancoraggio verso formazioni sedimentarie ancora più antiche (tra 850 e 730 milioni di anni fa), come la Formazione Svanbergfjellet in Norvegia, il Gruppo Bitter Springs in Australia e il Gruppo Chuar in Arizona, l’orologio molecolare ha mostrato un risultato sorprendente: la nascita dei primi animali viene collocata tra 800 e 700 milioni di anni fa.

La vita animale prima della Terra a palla di neve

Spostare indietro nel tempo l’origine del regno animale di quasi 200 milioni di anni cambia radicalmente la nostra visione della storia climatica della Terra.

Attorno a 720 milioni di anni fa, nel periodo chiamato Criogeniano, la Terra visse uno degli eventi climatici più catastrofici della sua storia, noto come Terra a palla di neve (Snowball Earth). Enormi calotte glaciali ricoprirono il pianeta dalle regioni polari fino all’equatore, trasformando la Terra in una gigante sfera congelata.

Se gli animali sono comparsi tra 800 e 700 milioni di anni fa:

• I primi antenati degli animali potrebbero essere sopravvissuti a queste estreme ere glaciali equatoriali.

• Le condizioni ambientali e la pressione evolutiva di quell’era glaciale globale potrebbero aver guidato le prime tappe della diversificazione animale.

• La vita primitiva si sarebbe rifugiata in oasi geotermiche, aperture idrotermali negli oceani profondi o pozze d’acqua liquida sopra i ghiacciai.

Tafonomia e chimica della fossilizzazione: perché i tessuti molli svaniscono

Per comprendere appieno perché gli animali primordiali risultino invisibili nella documentazione fossile, occorre esplorare la taphonomia, la branca della paleontologia che studia i processi di decomposizione e fossilizzazione degli organismi dal momento della morte fino al loro ritrovamento.

Il fenomeno del decadimento batterico e della mineralizzazione rapida

Quando un organismo muore, la materia organica viene degradata dai batteri entro poche ore o giorni. Affinché un microfossile o un animale a corpo molle si conservi nei minimi dettagli cellulari, deve verificarsi un evento chimico straordinariamente raro: la mineralizzazione simultanea o precoce.

1. Sostituzione con fosfato di calcio (Fosfatizzazione): nei giacimenti come Weng’an e Kheseen, la conservazione microscopica avviene perché il fosfato disciolto nell’acqua precipita sulle strutture cellulari, pietrificandole prima della decomposizione.

2. Effetto del pH e del microambiente chimico: la fosfatizzazione richiede condizioni chimiche rigorose, come un ambiente privo di ossigeno (anossico), elevati livelli di fosfato e un preciso intervallo di pH.

3. Selettività biologica: la superficie cellulare dei diversi organismi interagisce in modo differente con i minerali. La parete cellulare di un’alga o di un acritarco può favorire la precipitazione dei minerali, mentre la membrana plasmatica nuda di un minuscolo animale dal corpo molle potrebbe collassare o non attrarre i sali minerale prima di essere divorata dai batteri.

Questo spiega perché due organismi che vivevano nello stesso ambiente possano avere probabilità di fossilizzazione radicalmente diverse. La mancanza di fossili animali a Kheseen non è dunque una prova della loro assenza biologica, ma piuttosto della mancanza delle condizioni taphonomiche idonee a preservare proprio quel tipo di tessuto corporeo.

Dalle cellule isolate agli organismi complessi: l’antenato comune di tutti gli animali

Spostare l’origine degli animali a 800 – 700 milioni di anni fa significa collocare la nascita del regno animale in una fase critica dell’evoluzione cellulare. Ma come erano fatti i primissimi animali?

I Coanoflagellati e la nascita della multicellularità

Gli antenati di tutti gli animali (noti come Metazoi) non assomigliavano minimamente ai vertebrati o agli insetti moderni. Erano strettamente imparentati con i Coanoflagellati, organismi unicellulari dotati di un flagello circondato da un colletto di microvilli.

• Dalla colonia all’organismo: si ipotizza che i primi animali siano nati quando cellule simili ai coanoflagellati hanno iniziato a vivere in colonie cooperative, specializzando alcune cellule per la nutrizione e altre per la riproduzione.

• L’emergere dei Poriferi (Spugne): le spugne rappresentano la linea animale più antica e semplice. Non hanno veri e propri tessuti o organi, ma formano una struttura porosa attraversata da correnti d’acqua. I loro coanociti (cellule interne) sono praticamente identici ai coanoflagellati unicellulari.

• La comparsa dei Placozoi e dei Ctenofori: forme microscopiche piatte e trasparenti, composte da pochissimi strati cellulari, privi di scheletro e incapaci di lasciare impronte nella sabbia o nel fango se non in condizioni eccezionali.

Se i primi animali erano piccoli ammassi gelatinosi microscopici grandi meno di un millimetro, la loro probabilità di lasciare un’impronta fossile visibile ad occhio nudo era praticamente nulla.

Indizi dai fossili chimici: i biomarcatori lipidici

Oltre ai fossili corporei e alle tracce di movimento nel sedimento, la scienza moderna si avvale della geochimica organica e dei fossili chimici (biomarcatori) per rintracciare la vita invisibile.

Gli sterani e le spugne del Neoproterozoico

Le membrane cellulari degli organismi complessi contengono molecole stabili chiamate steroli (come il colesterolo negli esseri umani). Quando un organismo muore e si deposita sui fondali oceanici, queste molecole subiscono trasformazioni chimiche ma mantengono il loro scheletro di carbonio, trasformandosi in sterani che possono conservarsi nelle rocce per centinaia di milioni di anni.

• 24-isopropylcholestane (24-ipc): negli ultimi decenni, le analisi geochimiche su rocce estratte in Oman e risalenti a oltre 635 – 650 milioni di anni fa hanno rivelato tracce abbondanti di questo specifico sterano.

• Il legame con le spugne: la molecola precursori di questo biomarcatore viene prodotta oggi quasi esclusivamente da determinate famiglie di spugne marine (Demospongiae).

• Conferma geochimica: la presenza di questi fossili chimici costituisce una prova indipendente del fatto che organismi assimilabili agli animali fossero già attivi negli oceani ben prima dell’era Ediacarana e della fauna di Weng’an.

Evoluzione dell’atmosfera: il ruolo chiave dell’ossigeno

Un altro fattore fondamentale che spiega la lenta e prolungata storia precoce degli animali è la disponibilità di ossigeno molecolare ($O_2$).

Per miliardi di anni la Terra è stata dominata da microrganismi anaerobici o photosynthetici che producevano ossigeno solo in piccole quantità, rapidamente assorbite dai minerali di ferro disciolti negli oceani.

1. Grande Evento di Ossidazione (2,4 miliardi di anni fa): ha portato alla formazione del primo ossigeno atmosferico stabile, ma a livelli estremamente bassi (meno dell’1% dei livelli attuali).

2. Evento di Ossidazione del Neoproterozoico (800 – 540 milioni di anni fa): durante questa fase, coincidendo esattamente con la finestra temporale ipotizzata dal nuovo studio, i livelli di ossigeno negli oceani superficiali hanno iniziato ad aumentare gradualmente.

3. Impatto sul metabolismo animale: la vita animale richiede un metabolismo attivo per la contrazione muscolare, la segnalazione cellulare e la sintesi del colla me (la proteina strutturale alla base di tutti i tessuti animali). Con bassi livelli di ossigeno, gli animali potevano sopravvivere solo come organismi microscopici, sottili e dal fabbisogno energetico ridotto.

4. La soglia critica: solo quando l’ossigeno ha raggiunto una concentrazione sufficiente a sostenere tessuti più spessi, la selezione naturale ha spinto verso animali di dimensioni maggiori, dotati di gusci e apparati circolatori, rendendoli finalmente visibili nella documentazione fossile del Cambriano.

Nuove prospettive per la ricerca paleontologica

Come rimarcato dal primo autore dello studio, Orin Lole Durbin (Virginia Tech), queste scoperte non costituiscono la prova definitiva che gli animali esistessero già 800 milioni di anni fa, ma dimostrano che uno dei principali argomenti usati per escluderlo era erroneo.

I prossimi passaggi della ricerca scientifica prevedono:

1. Esplorazione di nuovi giacimenti: analizzare rocce sedimentarie antecedenti ai 700 milioni di anni fa in regioni finora poco studiate.

2. Integrazione delle metodologie: combinare la paleontologia tradizionale, la geochimica dei biomarcatori e le tracce fossili (come i micro-solchi lasciati dai primi organismi nel fango marino).

3. Studio dei microambienti antichi: ricostruire la chimica degli oceani del Neoproterozoico per capire quali condizioni permettessero o impedissero la conservazione dei tessuti biologici.

Fino a quando non verranno portati alla luce nuovi resti diretti, l’esatta data di nascita dei nostri antenati remoti rimarrà una delle sfide più affascinanti della scienza moderna.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract

Permangono modelli divergenti sull’origine degli animali. I biomarcatori lipidici suggeriscono che gli animali abbiano avuto origine prima di 635 milioni di anni fa (Ma), ma la loro documentazione fossile si estende solo fino a 574 Ma. Gli orologi molecolari potrebbero distinguere tra queste registrazioni, ma dimostriamo come la loro accuratezza e precisione dipendano dalle calibrazioni dell’età massima. Valutiamo la Biota di Weng’an (Cina) dell’Ediacarano come calibrazione massima utilizzando i microfossili della Biota di Kheseen (Mongolia). Queste due biote presentano una conservazione e associazioni di microfossili simili, e non contengono animali definitivi. La Biota di Kheseen, depositata in un periodo (circa 550-526 Ma) in cui gli animali erano indubbiamente presenti, mette in discussione la validità della calibrazione di Weng’an. Discutiamo l’incertezza nelle strategie di calibrazione massima e proponiamo molteplici depositi pre-ediacarani con tafonomia favorevole, che conservano sia fossili corporei non animali che biomarcatori, come le calibrazioni attualmente più affidabili. Le nostre analisi supportano un’origine dei Metazoi tra il tardo Toniano e il medio Criogeniano (circa 800-700 milioni di anni fa).

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