11 Minute
Ciupercile au construit scena pentru viața terestră
Ciupercile s-au diversificat pe Pământ cu mult înaintea primelor plante terestre, iar noi analize genomice sugerează că ele au jucat un rol central în pregătirea continentelor pentru colonizare. Cercetări recente conduse de Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) folosesc tehnici de ceas molecular combinate cu dovezi provenite din transferul genetic orizontal pentru a rafina cronologia evoluției fungilor. Rezultatele indică faptul că strămoșul comun al fungilor de azi ar putea data din urmă cu aproximativ 1,4–0,9 miliarde de ani — cu sute de milioane de ani mai devreme decât primele plante terestre bine atestate.
Ciupercile au apărut mult înaintea plantelor, remodelând suprafața Terrei prin soluri timpurii și cicluri de nutrienți. Moștenirea lor ascunsă sugerează că ar fi putut pregăti mediul pentru o diversificare ulterioară a vieții pe uscat. Credit: Shutterstock
Înțelegerea momentului în care ciupercile s-au diversificat este importantă pentru că ele acționează ca ingineri ecologici: descompun roca și materia organică, reciclează elementele nutritive, formează parteneriate mutualiste cu alte organisme și pot modifica structura solului. Dacă ciupercile au fost active pe continente cu mult timp înainte de plante, ele ar fi putut fi factori cheie în formarea solurilor primitive și în stabilirea circuitelor de nutrienți care au făcut suprafețele continentale locuibile. În plus, activitatea lor chimică — eliberarea de acizi organici și enzime — ar fi accelerat alterarea minerală, influențând procesele de intemperizare la scară globală.
De ce este dificil să plasăm ciupercile în istoria profundă a vieții
În mod obișnuit, stabilirea evenimentelor majore evolutive pe cronologia Terrei se bazează pe fosile. Pentru multe grupuri — algele roșii, animalele și plantele terestre — descoperirile paleontologice oferă puncte de reper. Dar ciupercile sunt notoriu subreprezentate în arhiva fossilă. Corpurile lor, adesea moi și filamentare, nu se conservă bine, iar multicelularitatea complexă în rândul fungilor a evoluat de mai multe ori, pornind din strămoși unicelulari distincti. Această combinație sabotează arborii evolutivi simpli preferați de paleontologi: puține fosile durabile plus origini independente ale formelor complexe fac dificilă identificarea unui eveniment unic și neechivoc al originii.
Mai mult, multe trăsături morfologice distinctive ale fungilor moderne — cum ar fi hifele septate sau sistemele complexe de împerechere — pot lăsa urme fosile ambigue sau pot fi ușor confundate cu structuri microbiene. Interpretarea fosilelor fragmentare necesită adesea comparații filogenetice detaliate și dovezi chimice asociate, ceea ce complică datările exacte. Drept urmare, cronologia evolutivă a fungilor a rămas una dintre cele mai discutate și incerte linii din arborescența vieții.
Dovezi fosile clare pot fi găsite pentru majoritatea celor cinci mari grupuri — aici vedem un fosil Dickinsonia, oferind dovezi ale vieții animale străvechi. Credit: Citronnel/Wikimedia Commons, CC-BY-SA-4.0
Din cauza acestor goluri, cercetătorii apelează la filogenetica moleculară și la ceasul molecular: diferențele genetice se acumulează în timp, astfel încât compararea genomurilor poate estima datele de divergență. Totuși, ceasurile moleculare au nevoie de calibrări — puncte de ancorare din fosile sau alte constrângeri temporale — pentru a transforma distanțele genetice relative în ani absoluti. Pentru fungi, aceste ancore sunt rare, așa că ceasul a fost imprecis — până acum. Noile abordări genomice caută să compenseze lipsa fosilelor prin utilizarea altor tipuri de dovezi, promovând o cronologie mai fiabilă și mai coerentă cu geologia și chimia paleoambientală.
Transferul genetic orizontal ca pârghie temporală
Echipa condusă de OIST a introdus o modalitate inovatoare de a îmbunătăți calibrările: au căutat în genomuri cazuri de transfer genetic orizontal (HGT). Spre deosebire de moștenirea verticală obișnuită de la părinte la descendent, HGT apare când un genom împrumută un gen de la o linie de viață neînrudită. Un astfel de transfer oferă o constrângere temporală direcțională: dacă linia A a donat un gen liniei B, atunci donatorul trebuie să fi existat înaintea descendantului receptor care păstrează acel gen.
Detectarea HGT necesită analize filogenetice minuțioase, verificări ale incongruențelor între arborii gienici și cei organismici, precum și testarea consistenței semnalului prin metode statistice. Echipa a folosit aceste proceduri pentru a filtra evenimentele probabil reale de transfer și pentru a exclude cazurile care pot rezulta din contaminare, convergență sau erori de asamblare genomică. Astfel, HGT devine o „ancoră” moleculară suplimentară, utilă acolo unde fosilele nu oferă repere.
Identificând 17 evenimente HGT credibile între linii fungice, cercetătorii au construit o rețea de relații de tip „mai vechi-decat” și „mai tânăr-decat”. Aceste constrângeri au fost combinate cu date fosile disponibile pentru a îngusta estimările ceasului molecular și a deriva o cronologie mai precisă a diversificării fungilor. Abordarea reprezintă o utilizare ingenioasă a genomului pentru a suplini arhiva fossilă săracă și pentru a reduce incertitudinea datărilor de divergență. În plus, metoda permite integrarea mai multor tipuri de date — genetice, paleontologice și geochimice — într-un cadru coerent de interpretare evolutivă.
Revizuirea cronologiei: ciupercile înainte de plante
Folosind ceasul molecular calibrat cu HGT, studiul estimează că ultimul strămoș comun al fungilor moderni datează de aproximativ 1,4–0,9 miliarde de ani în urmă. Această perioadă plasează un interval substanțial — sute de milioane de ani — între diversificarea inițială a fungilor și primele plante terestre bine atestate (în jur de 470 de milioane de ani în urmă). În acest lung răstimp, ciupercile și algele au format probabil comunități microbiene terestre, ciclând mineralele și materia organică și modificând treptat suprafețele stâncoase.
Dr. Lénárd L. Szánthó, co-autor principal al studiului, a rezumat implicațiile ecologice: ciupercile sunt fundamentale pentru reciclarea nutrienților și pentru parteneriatele biologice. Dacă ele s-au diversificat înainte de plante, interacțiunile lor cu algele și microbii ar fi putut crea un mediu de tranziție care a facilitat colonizarea ulterioară a uscatului de către plante. Aceste relații includ formarea de biofilme, asocierea cu bacterii care fixează azotul și producerea de materie organică stabilă — toate contribuind la acumularea de sol primitiv.
Aceste descoperiri schimbă modul în care ne imaginăm colonizarea continentelor. În loc ca plantele să fie arhitecții pionieri ai ecosistemelor terestre, ele ar fi putut sosi într-un mediu deja transformat de activitatea fungilor: soluri în formare, rezervoare de nutrienți îmbunătățite și rețele biologice care au facilitat stabilirea plantelor ulterioare. Această perspectivă reframează procesele de terestrializare ca pe o serie de etape ecologice, în care comunitățile microbiene și fungice au pregătit terenul pentru macro-organisme.
Context științific: multicelularitatea și cele cinci linii majore
Viața multicelulară complexă — organisme cu celule diferențiate organizate în țesuturi — a apărut independent de cel puțin cinci ori pe Pământ: la animale, plante terestre, ciuperci, algele roșii și algele brune. Fiecare tranziție către multicelularitate a necesitat inovații moleculare, cum ar fi molecule de adeziune celulară, sisteme de semnalizare intercelulară și mecanisme de control al proliferării celulare. În timp ce fosilele oferă dovezi directe pentru unele linii (de exemplu, animalele ediacariene, covoarele algale timpurii și sporii plantelor), registrul fungic este fragmentar. Stabilirea momentului apariției complexității fungice completează astfel un gol major în înțelegerea modului în care viața s-a organizat în forme complexe pe diferite ramuri ale arborelui vieții.
Mai mult, compararea cronologiilor între aceste linii indică posibile interacțiuni reciproce în ecosisteme primitive. De exemplu, sinergiile dintre organismele multicelulare și bacterii ar fi putut modela ciclurile biogeochimice într-un mod care a favorizat stabilitatea ecosistemelor terestre emergente. În consecință, datarea precisă a acestor tranziții e esențială pentru reconstruirea istoriei ecologice a Terrei.
Implicații pentru procesele terestre și direcții viitoare de cercetare
Dacă ciupercile au contribuit la formarea solurilor timpurii și la stabilirea circuitelor de nutrienți, aceasta are implicații pentru modelele de intemperizare terestră timpurie, ciclul carbonului și modul în care ecosistemele răspund la schimbările geologice. Recunoașterea fungilor ca ingineri pe termen lung ai ecosistemelor invită la experimente noi și la studii de teren care să caute urme fosilizate ale activității fungice (de exemplu, alterări minerale specifice, semnături izotopice sau structuri microbiene asociate) și să extindă eșantionarea genomică în rândul grupurilor fungice obscure sau devreme-divergente.
Studiul subliniază, totodată, valoarea integrării metodelor genomice — ceasuri moleculare, filogenomică și detectare HGT — cu paleontologia. Progresul viitor va veni din mai multe genomuri, din modele evolutive moleculare îmbunătățite și din descoperirea unor noi fosile care pot oferi puncte de calibrare independente. Extinderea bazelor de date genomice, inclusiv prin secvențierea metagenomică a probelor de mediu din habitate extreme, va ajuta la descoperirea unor linii fungice rare care pot schimba estimările de timp.
De asemenea, analiza interdisciplinară cu geochimiști și pedologi poate oferi noi dovezi despre modul în care procesele biologice au interacționat cu procesele geologice. De exemplu, cercetările privind izotopii stabili din roci și minerale pot ajuta la detectarea semnăturilor biotice produse de activitatea fungică, iar experimentele de laborator pot replica modul în care hifele fungice alterează suprafețele minerale în timp.
Perspectivă de expert
"Această lucrare arată cum munca detectivistică genomică poate dezvălui istoria ascunsă a Terrei", spune Dr. Miriam Halvorsen, ecolog microbian (ficțională pentru context). "Ciupercile sunt adesea ingineri invizibili: ele modifică mineralele, captează nutrienți și construiesc scheletul microbian pe care îl folosesc organismele ulterioare. Vederea dovezilor genomice că ciupercile se diversificau cu mult înaintea plantelor sugerează că terestrializarea a fost un proces în mai multe etape, în care comunitățile microbiene au făcut mare parte din munca pregătitoare."
Dr. Halvorsen adaugă că metoda de calibrare bazată pe HGT poate fi aplicabilă și altor grupuri cu registre fosile sărace, ajutând la rafinarea cronologiilor pentru tranzițiile evolutive de pe întregul arbore al vieții. Aplicată în mod larg, această abordare poate reduce discrepanțele între rapoartele moleculare și cele paleontologice și poate genera ipoteze testabile legate de interacțiunile ecologice timpurii.
Tehnologii conexe și perspective viitoare
Tehnologiile care vor accelera această cercetare includ secvențierea genomică de mare viteză a fungilor devreme-ramificați și a probelor de mediu, algoritmi îmbunătățiți pentru detectarea evenimentelor HGT antice și instrumente geochimice pentru detectarea biosignaturilor alterării fungice în roci străvechi. Combinat, aceste abordări pot testa ipoteza că activitatea fungică a modificat în mod substanțial suprafețele continentale înainte de colonizarea plantelor la scară largă.
Pe termen lung, integrările între baze de date filogenetice, platforme de calcul distribuit și modele geochimice pot oferi replicabilitate și transparență în estimările de timp. Inovațiile în inteligența artificială pentru analiza filogenetică și detectarea HGT vor reduce manualitatea și pot descoperi semnale subtile ascunse în seturi masive de date genomice. De asemenea, parteneriatele internaționale pentru colectarea și secvențierea specimenelor din regiuni subreprezentate vor contribui la o imagine mai completă a evoluției fungice.
Concluzie
Imaginea emergentă este una în care ciupercile nu au fost venite târzii pe uscat, ci arhitecți îndelungi ai habitabilității terestre. Prin diversificare și prin interacțiuni cu algele și microbii pe parcursul a sute de milioane de ani, ciupercile ar fi creat primele soluri și rețele de nutrienți care au permis plantelor să reușească. Integrarea genomicii, analizei HGT și paleontologiei deschide o nouă cale pentru reconstruirea istoriei ecologice profunde a Terrei și pentru înțelegerea forțelor biologice care au modelat planeta pe care o locuim.
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu