Daten artefactes paleolítics a l’Altiplà de Huangtu amb més de dos milions d’anys d’antiguitat

El caràcter incomplet dels registres arqueològic i paleontològic fa que, de vegades, noves descobertes obliguin a canviar el relat cronogeogràfic del Paleolític Inferior. Zhu Zhaoyu i Robin Dennell encapçalen una lletra a la revista Nature on comuniquen una d’aquestes descobertes. Hi reporten una seqüència d’artefactes del jaciment paleolític de Shangchen (上陈), corresponents a 17 capes, la més antiga de les quals, L28, la daten en 2,12 milions d’anys d’antiguitat. Això fa que les eines d’aquest estrat constitueixin, ara com ara, el primer indici d’habitació hominina de l’Altiplà de Huangtu, i per extensió de tot Euràsia, siguent el primer indici d’habitació d’hominins fora d’Àfrica.

Eines de pedra del jaciment de Shangchen

El jaciment de Shangchen

Zhu Zhaoyu pertany a l’Institut de Geoquímica de Guangzhou i del Laboratori de Geologia Quaternària de Xi’an. Fou el que dirigí el pla de recerca del jaciment de Shangchen, participant-hi en les investigacions realitzades des del 2004 al 2017.

Huang Weiwen és també membre del Laboratori de Geologia Quaternària, i alhora investigador de l’Institut de Paleontologia de Vertebrats i de Paleoantropologia de Beijing. Huang és l’arqueòleg principal d’aquesta recerca, i és conegut per la descoberta del crani de Gongwangling (1964).

Robin Dennell, del Departament d’Arqueologia de la Universitat d’Exeter, participà en el treball de camp i ha estat qui ha trobar molts dels artefactes estudiats.

En les investigacions de camp també han participat Wu Yi (de l’Institut d’Oceanologia de Guangzhou), Qiu Shifan (de l’EScola de Geografia i Enginyeria Ambiental de Ganzhou), Rao Zhinguo (del Col·legi de Ciències de Recursos i de Medi Ambient de Changsha), Xie Jiubing (del Destacament de Supervisió Ambiental de Nanning) i Han Jiangwei (de l’Institut de Prospecció Geològica de Henan, amb seu a Zhengzhou). En part dels treballs del camp i en l’autenticació de les peces participaren també Yang Shixia i Hou Yamei (de l’Institut de Paleoantropologia de Beijing). En les mesures paleomagnètiques participà també Ouyang Tingping.

En el decurs de les excavacions realitzades entre el 2004 i el 2017 s’han trobat al jaciment de Shangchen 96 eines de pedra (escates, puntes i nuclis). No s’hi ha trobat cap resta hominina.

Els primers hominins de fora d’Àfrica

En el 1964, hom descrigué a partir del crani de Gongwangling l’espècie “Sinanthropus lantianensis”. Des de llavors, hom l’ha reclassificat dins de l’espècie “Homo erectus”

Sota el terme “hominins”, s’apleguen el conjunt d’homínids que són més propers filogenèticament a l’actual gènere Homo que als altres gèneres d’homínids amb representants vius en l’actualitat (Pan, Gorilla, Pongo). De fet, tots els gèneres coneguts d’aquest clade d’hominins, fins i tot incloent-hi Pan i Gorilla són de distribució exclusivament africana. Tots, excepte, el gènere Homo, val a dir, pel que sabem fins ara.

Entre les restes més antigues atribuïbles al gènere Homo fora d’Àfrica destaquen:
– les restes esquelètiques i artefactuals del jaciment de Dmanisi (Geòrgia), que es daten entre 1,77-1,85 milions d’anys abans del present.
– dues dents incisives del jaciment de Yuanmou (Xina Meridional), atribuïdes a Homo erectus i datades en 1,77 milions d’anys d’antiguitat.
– el crani esmentat de Gongwangling, actualment classificat com a Homo erectus, i que Zhu et al. daten en 1,63 milions d’antiguitat.
– els fòssils del jaciment de Sangiran, a l’illa de Java, datats en 1,5-1,6 milions d’anys d’antiguitat.
– artefactes dels jaciments de Majuangou III i Shangshazui, de la Conca de Nihewan (Xina Septentrional), datats en 1,6-1,7 milions d’anys d’antiguitat.

La capa de loess L28

El jaciment de Shangchen conté 17 capes en les quals s’han trobat un total de 96 artefactes paleolítics. Zhu et al. ofereixen una datació d’aquests estrats basada en el paleomagnetisme. El més recent, el paleosol S15, tindria una antiguitat de 1,26 milions d’anys. El més antic, el loess L28, tindria una antiguitat de 2,12 milions d’anys. Això supera en 300.000 anys la datació de Dmanisi, i fa de Shangchen l’indici més remot en el temps de presència hominina fora d’Àfrica.

Esquema del geomagnetisme durant els darrers cinc milions d’anys. Les inversions del camp magnètic terrestre es manifesten en l’orientació d’alguns minerals en les roques, i així hom pot atribuir els estrats corresponents a diferents eres paleomagnètiques

Els inicis del Paleolític Inferior

Trobar indústria lítica de més de 2 milions d’anys d’antiguitat és una xifra considerable no tan sols per a Euràsia, sinó fins i tot per a Àfrica. No són gaires els jaciments africans que superen aquesta antiguitat. A Turkana (Kènia) hom ha trobat els indicis més antics coneguts fins ara, de 3,3 milions d’anys.

Les restes lítiques de Turkana s’han atribuït a alguna espècie d’Australopithecus. Les restes més antigues d’Olduvai (Tanzània), de 1,9 milions d’anys d’antiguitat, s’atribueixen a Homo habilis. Les de Dmanisi, de 1,78 milions d’anys, s’assignen a Homo erectus. No hi ha cap indici per decidir si les primeres eines del jaciment de Shangchen foren elaborades per Australopithecus spp., H. habilis, H. erectus o alguna altra opció.

Lligams:

Hominin occupation of the Chinese Loess Plateau since about 2.1 million years ago. Zhaoyu Zhu, Robin Dennell, Weiwen Huang, Yi Wu, Shifan Qiu, Shixia Yang, Zhiguo Rao, Yamei Hou, Jiubing Xie, Jiangwei Han, Tingping Ouyang. Nature (2018).

Tools from China are oldest hint of human lineage outside Africa. Colin Barras. Nature (2018).

Publicat dins de 5. La Intel·ligència | Envia un comentari

L’origen africà de l’espècie ‘Homo sapiens’: Scerri et al. ens expliquen la complexitat geogràfica i cronològica d’aquest procés

Biològicament, la humanitat actual és classificada en una sola espècie, Homo sapiens. De vegades es fa ús del concepte “home anatòmicament modern” per designar-la, en el sentit que en el passat pleistocènic hi hagué altres espècies humanes (del gènere Homo) que serien “homes arcaics”. L’espècie Homo sapiens hauria sorgit a Àfrica fa 500-300 mil anys. Fa 100.000 anys o una mica més s’hauria expandit a Àsia, i des d’allà als altres continents. Les espècies arcaiques haurien anat desapareixent, per bé que algunes van deixar la seva petjada genètica en les poblacions locals d’Homo sapiens. Una qüestió rellevant és afinar la cronologia i la geografia de l’origen d’Homo sapiens. En un article a la revista Cell, Eleanor M. L. Scerr encapçala una reflexió sobre la idea que Homo sapiens evolucionà a partir d’una única regió o població. Scerr et al. consideren que les dades van en contra d’aquesta idea, i que més aviat cal pensar que l’Homo sapiens evolucionà dins del marc d’una sèrie de grups entrelligats que vivien per tot Àfrica, amb diversos graus de connectivitat.

Eines i adorns de l’Edat Intermèdia de Pedra d’Àfrica. El registre arqueològic ens mostra la complexitat de relacions culturals durant el Pleistocè mitjà africà.

Els orígens africans de l’Homo sapiens

En termes generals, hom concep que l’espècie Homo sapiens evolucionà a partir d’una única regió africana, a partir d’una sola població arcaica. La qüestió, doncs, seria identificar aquest origen. Ara bé, el que diuen en aquest article a la revista Cell Eleanor M. L. Scerri és que aquesta visió unigènica no se sosté d’acord amb una visió multidisciplinària. Scerri et al. defensen, per contra, que l’espècie Homo sapiens derivà d’un conjunt de grups entrelligats que vivien en diferents punts d’Àfrica, amb una connectivitat canviant.

En principi, hom podria pensar que no hi ha tanta diferència entre el model unigènic i el model que presenten Scerri et al. Tots dos comparteixen la visió de l’origen africà. Però la perspectiva de Scerri et al. sí té un impacte en els models genètics, ja que els exigiria d’incorporar una visió més complexa de les migracions i de les divergències dins Àfrica.

L’origen humà es trobaria doncs en poblacions pleistocèniques que vivien per tot Àfrica. Scerri et al. assenyalen els fòssils del període que s’han trobat en els darrers anys, així com el registre arqueològic. Un origen policèntric i la persistència de diferències regionals dins Àfrica explicarien millor les dades paleoantropològiques i arqueològiques. També serviria per explicar el fet que els estudis genètics assenyalin que l’estructura de les poblacions africanes actuals assenyalà una història profunda. En aquesta història l’evolució paleoclimatològica ha estat enormement rellevant.

El llinatge d’Homo sapiens podria haver-se originat a Àfrica fa més de 500.000 anys, però cal dir que les manifestacions morfològiques més antigues observades tenen una antiguitat de 300.000 anys. Els primers fòssils atribuïbles a Homo sapiens mostren una considerable diversitat morfològica, explicable també per la seva notable dispersió geogràfica. No hi ha l’aparença d’una progressió lineal simple de l’home arcaic a l’home modern. Encaixar aquestes peces en la visió uniregional clàssica és tan complex, que Scerri et al. opten per aquesta explicació alternativa de “multiregionalisme africà”: Homo sapiens s’hauria originat i diversificat dins de poblacions fortament subdividides escampades per tot Àfrica.

El problema de definir Homo sapiens

No tots els investigadors introdueixen les mateixes característiques morfològiques en la definició d’Homo sapiens. Això fa que no tots siguin d’acord en incloure-hi alguns dels fòssils africans més antics, de 300.000 o 200.000 d’antiguitat. La visió unigènica es troba molt associada amb el concepte d’especiació puntuada. Però els fòssils semblen indicar més aviat un procés més gradual, en el qual els diferents trets “moderns” apareixen en mosaic: primer uns i després uns altres.

El concepte d’home anatòmicament modern es fixa en caràcters com el rostre petit i gràcil, la presència de barbeta i una caixa craniana globular. L’home de Jebel Irhoud, que va viure a l’extrem nord-occidental d’Àfrica fa 315.000 anys, presenta un rostre modern i un volum endocranial que entra dins de la variabilitat moderna, però alhora la caixa craniana és més elongada que no pas globular.

Irhoud 1

L’home de Florisbad (Sudàfrica, fa 260.000 anys), l’home d’Omo Kibish (Àfrica Oriental, fa 195.000 anys) i l’home d’Herto (Àfrica Oriental, fa 160.000 anys) mostren entre ells diferències morfològiques considerables. Alguns pensen que aquestes restes cal entendre-les encara en un marc arcaic. Així, hom ha recuperat l’espècie Homo helmei per incloure-hi tant l’home de Florisbad com el de Jebel Irhoud. O bé, es considera que són antecedents directes de l’home modern, i així l’home d’Herto ha estat considerat el tipus de la subespècie basal Homo sapiens idaltu.

Scerri et al. s’estimen parlar de “clade Homo sapiens” i incloure-hi els fòssils esmentats en la seva diversitat. No esperen doncs trobar tot les característiques cranianes dels humans contemporanis fins a un període més recent, entre 100.000 i 40.000 anys. En el període de 300.000-100.000 anys d’antiguitat, l’evolució d’aquestes característiques s’hauria fet de manera independent en diferents regions africanes, degut a barreres geogràfiques com ara regions hiperàrides o boscos tropicals.

Cal pensar, doncs, en una Àfrica diversa. Les restes arqueològiques del Pleistocè terminal, que en la cronologia africana es corresponen a l’Edat de Pedra tardana, mostren una diversitat regional considerable, manifestada en formes diferents de retenció dels trets arcaics de l’Edat de Pedra mitjana. En l’holocè, la diversitat morfològica és considerable en les restes esquelètiques, explicable per adaptacions regionals a climes extrems (deserts, boscos tropicals) i per la persistència de barreres geogràfiques als fluxos demogràfics.

L’Àfrica de l’Edat de Pedra Intermèdia no sostenia pas una població panmíctica, sinó força estructurada geogràficament. A més cal recordar que al continent encara persisteixen poblacions arcaiques, com Homo naledi (que hauria viscut fa 280.000 anys) o Homo heidelbergensis. Fluxos genètics d’aquestes formes arcaiques al clade Homo sapiens farien encara més complexa la situació.

L’home de Kabwe (Broken Hill 1) ha estat datat entre 300.000 i 125.000 d’antiguitat. Inclòs en l’espècie “Homo heidelbergensis”, és un exemple de la persistència de les formes arcaiques a Àfrica en una data en la qual ja havien començat a aparèixer els primers “Homo sapiens”.

L’Edat de Pedra africana

És a Àfrica on trobem les primeres eines de pedra, datades de fa 3,3 milions d’anys, anteriors al propi gènere Homo. S’iniciava l’anomenada Antiga Edat de Pedra. La transició d’aquest període inicial a un període mitjà es caracteritza per l’abandonament de les grans eines de tall, com les destrals de mà, per tecnologies basades en nuclis preparats i en el picat. Aquesta transició ja és visible a Jebel Irhoud fa 300.000 anys. Es registra a Olorgesailie (Àfrica Oriental) en el mateix període, i a Florisbad fa uns 280.000 anys. En l’Àfrica Occidental les primeres restes del període mitjà tenen 180.000 anys d’antiguitat. En termes generals, l’Edat de Pedra Intermèdia coincideix amb l’aparició d’Homo sapiens, però com s’ha dit en aquest període encara són presents espècies arcaiques (H. naledi, H. heidelbergensis).

En l’Edat de Pedra Intermèdia apareixen ja estils regionals clarament diferenciables. S’associa aquesta regionalització cultural a l’emergència de la cognició pròpia de l’home modern. De l’Edat de Pedra Intermèdia, es passa a l’Àfrica a l’Edat de Pedra Tardana, caracteritzada per una miniaturització lítica, però també amb notables diferències regionals.

Els models genètics

Els models genètics basat en la diversitat de les poblacions actuals han assenyalat que la major diversitat genètica coincideix amb els grups de llengua KhoeSan que viuen a l’Àfrica austral. En un model d’arbre, aquesta branca de la humanitat tindria la divergència més antiga, estimada en 150.000-300.000 anys. Per això alguns han pensat que cal cercar en aquest grup l’origen de l’espècie. Però cal tenir present que la diversitat actual a Àfrica respon també a moviments demogràfics recents, com ara l’expansió dels pobles de llengua bantú fa 2000-1500 anys, o els fluxos genètics dels darrer mil·lennis que han arribat a Àfrica procedents d’Euràsia.

La reconstrucció paleoclimatològica

La zonificació climàtica d’Àfrica experimentà grans canvis durant el Pleistocè tardà. Aquests canvis comporten l’aparició de barreres geogràfiques als fluxos genètics i culturals, i també expansions i reduccions de la càrrega humana potencial de les diferents regions.

Cal pensar que les poblacions humanes del període eren petites i molt susceptibles a l’isolament geogràfic. Les dades genètiques indiquen un o més esdeveniments crítics (colls d’ampolla).

Scerri et al. consideren que la reconstrucció de la història demogràfica de les poblacions humanes requereix una estratègia interdisciplinària que combini la genòmica de poblacions amb l’arqueologia i la paleoantropologia, però també amb les dades paleoclimatològiques.

Lligams:

Did Our Species Evolve in Subdivided Populations across Africa, and Why Does It Matter?. Eleanor M.L. Scerri, Mark G. Thomas, Andrea Manica, Philipp Gunz, Jay T. Stock, Chris Stringer, Matt Grove, Huw S. Groucutt, Axel Timmermann, G. Philip Rightmire, Francesco d’Errico, Christian A. Tryon, Nick A. Drake, Alison S. Brooks, Robin W. Dennell, Richard Durbin, Brenna M. Henn, Julia Lee-Thorp, Peter deMenocal, Michael D. Petraglia, Jessica C. Thompson, Aylwyn Scally, Lounès Chikhi. Cell (2018)

Publicat dins de 5. La Intel·ligència | Envia un comentari

Comproven la universalitat de la caiguda lliure en el sistema estel·lar triple PSR J0337+1715

Anne M. Archibald encapçala un article publicat avui a Nature en el qual empren el sistema estel·lar triple PSR J0337+1715 per comprovar la universalitat de la caiguda lliure.

La universalitat de la caiguda lliure és un dels fonaments de la teoria general de la relativitat d’Einstein, la teoria actualment acceptada de la gravetat. Aquesta universalitat suposa que tot objecte pateix una acceleració idèntica sota un camp gravitacional extern idèntic. El principi d’equivalència de la relativitat general contrasta amb el de teories alternatives de la gravetat. Empíricament, doncs, és rellevant comprovar que la universalitat de la caiguda lliure val fins i tot en cossos sotmesos a una fort camp gravitatori, és a dir a cossos massius.

S’han realitzar tests sobre la universalitat de la caiguda lliure observant cossos del Sistema Solar, però el camp gravitatori del Sol, un estel de dimensions modestes, podria ser insuficient per detectar desviacions d’aquesta universalitat. Una alternativa és l’observació de sistemes binaris pulsar-nan blanc.

Archibald et al. han fet el seu test en PSR J0337+1715, que és un sistema estel·lar triple. Els tres integrants del sistema són un pulsars i dos nans blancs. El pulsar és un radio-pulsar amb una freqüència de l’ordre de milisegons. Un primer nan blanc orbita al voltant del pulsar amb un període de 1,6 dies. El sistema binari format per aquest pulsar i aquest primer nan blanc orbita al voltant d’un segon nan blanc amb un període de 327 dies.

Aquest sistema jeràrquic de tres estels és especialment interessant per fer un test de la universalitat de la caiguda lliure. El pulsar és sotmès a una forta auto-gravetat. És interessant saber com el camp gravitatori del nan blanc distal afecta tant al pulsar com al nan blanc proximal.

Archibald et al. reporten les acceleracions del pulsar i del nan blanc proximal. Troben que no difereixen, amb una precisió de 2,6·10-6. El paràmetre Nordvedt de camp fort que en resulta d’aquesta observació és deu vegades més petit que l’obtingut en observacions del Sistema Solar i gairebé mil vegades més petit que l’obtingut en observacions de sistemes binaris pulsar-nan blanc. Es tracta, doncs, d’una dada empírica més robusta a favor de la universalitat de la caiguda lliure i, de retruc, a la teoria general de la relativitat.

Publicat dins de 1. L'Univers | Envia un comentari

Recol·lectors d’estels

La setmana passada, Dan Hooper, del Fermi National Accelerator Laboratory, de Batavia (Illinois), compartia un article en el qual reflexionava sobre una de les estratègies que podia adoptar una civilització interestel·lar avançada en les condicions del nostre univers. L’article duia per títol “Life Versus Dark Energy: How An Advanced Civilization Could Resist the Accelerating Expansion of the Universe”. El punt de partida és la composició del nostre univers, en el qual l’energia fosca (de natura desconeguda) promou una expansió accelerada. Això vol dir, per exemple, que en 1011 anys, el nostre horitzó còsmic quedarà reduït al Grup Local de Galàxies. Parlar en termes de 1011 anys és un xic aventurat. El nostre Sistema Solar, al capdavall, no té més que 5·109 anys (5 centèssimes del dit període), i l’habilitabilitat del nostre planeta es reduirà dràsticament en qüestió de 1·109 anys. Com que la nostra civilització tecnològica té, en el més generós dels càlculs, una edat de 104 anys parlar d’aquesta expansió accelerada de l’univers ens va una mica gran. Però Hooper parla d’una civilització altament avançada, que treballa a una escala temporal i espacial més ampliada que la nostra.

Hooper pensa que una civilització prou avançada haurà de pensar en estratègies d’accés a l’energia que tinguin present l’expansió accelerada de l’univers, i la reducció de la disponibilitat energètica que això comporta. Parlem d’una civilització expansiva i capaç de construir megaprojectes d’enginyeria com les esferes Dyson (que capten tota o gairebé tota l’energia emesa per un estel). Una part de la producció energètica, pensa Hooper, s’hauria de destinar a la captura d’estels abans que no es perdin per l’horitzó còsmic, i atreure’ls cap al centre civilitzatori. Hooper calcula que la massa estel·lar desitjable per a aquest programa seria de 0,2 a 1,0 masses solars, i que l’àrea de recol·lecció estel·lar tindria un radi de desenes de megaparsecs. Aquest programa de recol·lecció d’estels seria un investiment de futur, que suposaria augmentar mil vegades l’energia disponible quan l’horitzó còsmic s’acostés.

La proposta de Hooper es complementa amb els possibles indicis observables d’una civilització que actualment fer recol·lecció estel·lar.

Una civilització de Kardashev de tipus III

Hooper pensa en una civilització de tipus III en l’escala de Kardashev, és a dir una civilització que té la capacitat de controlar tota l’energia estel·lar d’una galàxia. Es tracta, doncs, d’una civilització intergalàctica. Per a aquesta civilització, l’expansió accelerada de l’univers sí es rellevant a escales de 1011 anys. De fet, l’acostament de l’horitzó còsmic als límits del grup o cúmul galàctic apareixeria com la principal limitació cosmològica, tota vegada que la mort individual d’estels seria quelcom trivial per a una civilització intergalàctica.

El sistema de recol·lecció d’estels s’encaminaria a captar astres que serien desviats cap al centre civilitzatori. No té gaire interès captar estels de masses superior a la del nostre Sol, ja que el temps de fusió d’aquests estels és bastant reduït (menys de 1010 anys). Els estels de masses molt petites (<0,2 masses solars) generen poca energia com per fer rendible incloure'ls en aquest programa de recol·lecció.

Hooper calcula que si la civilització en qüestió té la capacitat d’expandir-se a una velocitat de 0,01 c, podria captar estels en un radi co-movent de 20 megaparsecs. Si la velocitat fos de 0,1 c, aquest radi s’expandiria a 50 megaparsecs. Una part de l’energia recollida per les esferes Dyson d’aquesta civilització es destinaria al programa de captació d’estels. Bàsicament, el concepte de Hooper combina una esfera de Dyson amb una alteració del moviment propi estel·lar, que seria accelerat cap al centre civilitzatori.

Indicis d’una civilització que captés estels

Els càlculs de Hooper es basen en una civilització que s’expandís des d’un estel de la nostra Via Làctia. Podem prendre aquests càlculs, de fet, com una estratègia a considerar pels nostres descendents quan arribin al tipus III de l’escala de Kardashev. Però també podem pensar que hi ha hagut temps de sobres en els darrers 1010 anys perquè una qualsevol civilització de la Via Làctia hagi assolit aquest estadi.

Hooper calcula quin serà el patró de radiacions i de velocitats pròpies dels estels afectats per un programa d’aquestes característiques. Un estel de Dyson convencional emetria diferencialment més en la banda de l’infraroig. En un estel de Dyson-Hooper hi hauria una combinació de radiació i de velocitat pròpia.

En una fase avançada del programa, la civilització es podria detectar com una regió de desenes de megaparsecs, on la majoria o tots els estels més lleugers (<2 masses solars) serien envoltats d'esferes de Dyson. També seria possible detectar les energies associades a la propulsió estel·lar induïda. Els efectes sobre la morfologia galàctica també podrien ser considerables.

Publicat dins de 1. L'Univers | Envia un comentari

La matèria orgànica continguda en fangolites marcianes de 3500 milions d’anys d’antiguitat

L’any 1976, dues missions de la NASA, la Viking 1 i la Viking 2 exploraren Mart a través d’un mòdul orbital i d’una estació de superfície. L’estació Viking 1 aterrà a una latitud de 22ºN el 20 de juliol del 1976, i la Viking 2 ho va fer el 3 de setembre a una latitud de 48ºN. Tots dos mòduls continuen instrumental per a realitzar quatre experiments biològics: 1) Un cromatògraf de gasos amb espectrometria de masses capaç d’analitzar els components de sòl marcià; 2) Un experiment de bescanvi de gasos; 3) Un experiment d’alliberament que incubava mostres de sòl marcià amb set nutrients diferents; 4) Un experiment d’alliberament pirolític, que incubava mostres de sòl marcià amb una atmosfera de CO/CO2 marcada amb carboni-14. El primer experiment fou sorprenentment negatiu: no se’n detectà cap substància orgànica malgrat que el nivell de detecció era de de l’ordre de 0,001 ppm. El segon experiment també resultà negatiu, en el sentit que la mostra de sòl marcià no afectà les concentracions de O2, CO2, N2, H2 o CH4. El tercer experiment resultà inicialment positiu, en el sentit que una part dels nutrients marcats amb carboni-14 foren “metabolitzats” a CO2; però en una rèplica posterior fou negatiu. El quart experiment donà negatiu en la Viking 1 i positiu en la Viking 2. Globalment, el fet que el resultat del primer experiment resultés negatiu orientà l’opinió dels experts cap a un resultat negatiu o, en el millor de casos, gens concloent. Des de llavors hi ha hagut altres sondes marcianes. Destacadament, el rover marcià Curiosity ha investigat la presència de matèria orgànica en el sòl. En un article a la revista Science, es reporta per primera vegada una detecció robusta de matèria orgànica en una mostra marciana per part de Curiosity. El context de la detecció fa pensar que som davant de matèria orgànica fossilitzada, amb una antiguitat de 3500 milions d’anys.

Fotografia del Mont Sharp des de la Curiosity

La Mars Science Laboratory i el rover Curiosity

El 26 de novembre del 2011 era llençada des de Cap Canaveral la Mars Science Laboratory (MSL), l’element principal de la qual era el rover Curiosity. El 6 d’agost del 2012, aquest rover aterrava en Aeolis Palus, la regió perifèrica del cràter Gale, situat en la zona equatorial del planeta (4ºS, 137ºE), al nord-oest del Quadrangle Aeolis. El cràter Gale té una antiguitat de 3500-3800 milions d’anys, i hom pensa que poc després de formar-se constituí un llac.

En aquests tres anys marcians, Curiosity ha recorregut una distància de 20 km, realitzant un estudi exhaustiu del clima i de la geologia del cràter Gale.

L’equip Sample Analysis at Mars (SAM), fotografiat l’octubre del 2010

Entre l’instrumental de Curiosity hi ha Sample Analysis at Mars (SAM), equip d’anàlisi de gasos i de substàncies orgàniques en mostres atmosfèriques i de terreny. Consta de tres instruments:
– espectròmetre de masses quadrupol (QMS), per a la detecció de gasos en mostres atmosfèriques. També pot analitzar la fracció gasosa de mostres de sòl escalfades.
– cromatògraf de gasos (GC), per a la separació de gasos. És acoblat a un espectròmetre de masses que cobreix un rang de 2-535 daltons.
– espectròmetre làser ajustable (TLS), per a mesures de precisió d’isòtops d’oxigen i de carboni. S’aplica a analitzar l’origen de gasos atmosfèrics, CO2 i CH4.

Aquests tres instruments són servits per tres subsistemes: 1) un laboratori de separació i processament químic; 2) un subsistema de manipulació de mostres; 2) un subsistema per purgar separadors i analitzadors. Les mostres sòlides arriben en forma de pols després d’haver passat pel molí de trituració.

La primera anàlisi es realitzà el 9 de novembre del 2012. La primera detecció de matèria orgànica era massa fluixa com per descartar que no fos una comintaminació. El desembre del 2014, ja havia ofert dades sobre les fluctuacions de CH4 en l’atmosfera marciana, dades que ara han estat ampliades per Webster et al. (2018). El març del 2015, es detectava la presència de nitrat en mostres de sediments.

La formació de Murray a les Muntanyes Pahrump

L’abril del 2015, la càmera HiRISE del Mars Reconnaissance Orbiter captava les Muntanyes Pahrump, dins de l’àrea del Mont Sharp. En el centre de la imatge apareix requadrat el ròver Curiosity

Les fangolites de la formació Murray, a Pahrump, en el Mont Sharp, dins de les elevacions centrals del cràter Gale, es formaren fa 3500 milions d’anys a partir dels sediments del llac Gale.

Jennifer L. Eigenbrode et al. reporten els resultats de l’anàlisi pirolítica d’aquestes fangolites. En sotmetre aquesta roca sedimentària a un tractament tèrmic (500-820°C), es desprenen gasos que foren analitzats per SAM. Entre els productes detectats pel QMS hi ha un ventall de compostos tiofènics, aromàtics (benzè, toluè) i alifàtics (propà, buté).

Tiofè

Per GC-MS, fou possible de detectar compostos tiofènics, però no pas compostos aromàtics o alifàtics. Eigenbrode et al. (2018) pensen que la presència de sofre en l’estructura dels tiofens ajuda a preservar-los millor.

Parlem de concentracions ben minses. El contingut de carboni orgànic s’estima en uns 50 nanomols (10 ppm). Aquest carboni és incorporat en macromolècules que contenen un 5% de carboni, fonamentalment com a substància sulfo-orgàniques.

Forat resultant d’una presa de mostres per la Curiosity dee fangolita de la formació de John Klein

Les condicions atmosfèriques de Mart són tremendament hostils a la matèria orgànica. Això explica els resultats negatius obtinguts fins ara, i que al capdavall siguem bàsicament davant d’una presència relativament anecdòtica de substàncies orgàniques. Una font d’entrada de substàncies orgàniques en el Mart actual la constitueixen els impactes de meteorits: aquestes substàncies orgàniques són ràpidament degradades per la radiació ultraviolada i constitueixen una font de metà (CH4). El CH4 atmosfèric té uns valors basals, segons el TLS del SAM de la Curiosity, de 410±16 ppb (en termes de volum). Ara bé, aquests valors basals oscil·len estacionalment des de 240 a 650 ppb, cosa difícil d’explicar per la mera degradació per ultraviolat de les substàncies orgàniques del sòl marcià o pel cicle anual de pressions superficials. A més, poden haver-hi puntes temporals en què el CH4 s’eleva fins a 7000 ppb.

Cicle hipotètic del metà en Mart, amb els possibles bescanvis entre atmosfera, litosfera i hidrosfera subsuperficial. Les dades Curiositu conviden a pensar en l’existència de petites fonts localitzades de CH4 atmosfèric, procedents de reservoris de la superfície o de la subsuperfície.

Ara com ara, el més raonable és pensar que el contingut orgànic en aquestes fangolites és d’origen abiòtic. El més remarcable és que s’hagi pogut detectar aquesta matèria orgànica fòssil. Recorda al querogen que trobem en roques sedimentàries de la Terra, el qual probablement gairebé sempre tindria un origen a partir de matèria orgànica biològica (algues, etc.). Però també trobem compostos d’una natura semblant en meteorits carbonacis, de manera que impactes amb aquests meteorits poden ésser l’origen.

Per aclarir l’origen seria convenient poder analitzar aquests compostos orgànics sense passar per la piròlisi. El sistema de preparació de mostres de la Curiosity disposa de nou copes que contenen solvent que atacaria la roca, i alliberaria els compostos orgànics nadius. Futures missions com ExoMars o Mars 2020 permetran l’anàlisi de sediments més profunds, i fins i tot la recol·lecció de mostres que podrien ser transportades fins a la Terra.

Lligams:

Organic matter preserved in 3-billion-year-old mudstones at Gale crater, Mars. Jennifer L. Eigenbrode, Roger E. Summons, Andrew Steele, Caroline Freissinet, Maëva Millan, Rafael Navarro-González, Brad Sutter, Amy C. McAdam, Heather B. Franz, Daniel P. Glavin, Paul D. Archer Jr., Paul R. Mahaffy, Pamela G. Conrad, Joel A. Hurowitz, John P. Grotzinger, Sanjeev Gupta, Doug W. Ming, Dawn Y. Sumner, Cyril Szopa, Charles Malespin, Arnaud Buch, Patrice Coll. Science 360: 1096-1101 (2018).

NASA rover hits organic pay dirt on Mars. Paul Voosen (Science News).

NASA finds ancient organic material, mysterious methane on Mars, comunicat de premsa de la NASA.

Publicat dins de 1. L'Univers | Envia un comentari

Un gran experiment de Bell amb 97.347.490 tries binàries humanes

Les teories de la relativitat especial i de la relativitat general, formulades per Albert Einstein, també podrien denominar-se teories de la constància especial i general per a una sèrie de constants universals, com ara la velocitat de la llum en el buit o la constant de gravitació universal. Aquestes constants són constants, però, per la relativitat de l’espai i del temps. Alhora, la teoria de la relativitat general constituïa una explicació de la gravitació universal que salvava l’aparent violació del principi de localitat (que un objecte tan sols és afectat directat pel seu entorn immediat) que produïa l’acció a distància de la relativitat newtoniana. De retruc, això afecta al principi de causalitat. Albert Einstein formulà un principi de realisme local, que combinava el principi de localitat amb l’assumpció que qualsevol partícula ha de tindre un valor pre-existent per a qualsevol mesura possible. Einstein oposava aquest realisme local a algunes de les conseqüències de la interpretació que Niels Bohr i altres (“interpretació de Copenhague”) feien de la mecànica quàntica (el caràcter discret o particular dels bescanvis energètics). En el 1935, es publicà un experiment mental, obra d’Albert Einstein, Boris Podolsky i Nathan Rosen que pretenia posar en evidència la paradoxa (“paradoxa EPR” per les sigles dels autors) resultants d’aplicar la interpretació de Copenhague a dues partícules que interactuen. En el 1964, John Stewart Bell escrigué un article sobre la paradoxa EPR, a partir de la qual concloïa contràriament el teorema següent: “cap teoria física de variables amagades locals pot mai reproduir totes les prediccions de la mecànica quàntica”. Aquest teorema de Bell ha donat lloc a tota una sèrie d’experiments de Bell, que ja no són experiments mentals, sinó observacions experimentals. El passat mes de maig la revista Nature publicava els resultats de “The BIG Bell Test Collaboration“. Un experiment de Bell requereix un entrellaçament de distribució espaial, una detecció ràpida i d’alta eficiència i unes condicions de mesura impredictible. Per a la introducció d’aleatorietat a un experiment de Bell, hom ha fet ús de diferents randomitzadors físics, però com el mateix Bell va assenyalar en emprar-los hom fa ús de l’assumpció de realisme local que l’experiment hauria de refutar. Així, Bell va suggerir fer ús del lliure albiri o de la lliure tria humana. Aquesta és la font d’aleatorietat que fa servir The BIG Bell Test. A través de la pàgina web de l’experiment recrutaren uns 100.000 participants humans, que havien de jugar a un joc en-línia que els incentivava a fer tries binàries impredictibles. Durant 12 hores del 30 de novembre del 2016, els participants generaren 97.347.490 tries binàries, equivalent a un flux sostingut de 1000 bits/s. Aquestes dades foren vehiculades a 13 experiments diferents que empraven fotons, àtoms individuals, ensems d’àtom i dispositius superconductors. Les observacions contradiuen fortament el realisme local i altres posicions realistes. Avui uns dels investigadors implicats, Carlos Abellán, de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) parlava a Catalunya Ràdio dels resultats del projecte, que van més enllà de refutar el realisme local, en especial sobre un nou mètode per a garantir la seguretat de les comunicacions a través de la impredictibilitat d’aleatorietat anàlogues a la del lliure albiri humà.

The BIG Bell Test

Els experiments de Bell han permès encarar empíricament qüestions com el realisme local i el determinisme causal. Bàsicament, si hom assum que no hi ha marcs de referències preferits, o curvatures temporals tancades, si dos observadors (A i B, Alice i Bob) tenen una llibertat genuïna en la decisió de com mesurar partícules entrellaçades, llavors les partícules també han de tindre llibertat en decidir com respondre a les mesures. Però un experiment de Bell ha de tancar la qüestió de la impredictibilitat o de la llibertat de tria. S’han postulat diferents fonts per fer-ho possible, des de fonts còsmiques que abastin enormes regions del nostre univers fins a fonts humanes. The BIG Bell Test opta per aquesta segona via, aprofitant que les noves tecnologies de la comunicació poden fer treballar simultàniament milers i milers de persones en una mateixa tasca. Recórrer a aquesta font també implica tractar la idea segons la qual si voluntat humana és lliure, llavors ha d’haver esdeveniments físics sense causa.

Per aplegar les tries humanes es dissenyà el videojoc “The BIG Bell Quest”, que estimulava la generació de bits impredictibles. El jugador havia de combatre a un algoritme d’aprenentatge que cercava justament predir els inputs generats pel jugador. Els jugadors o Bellsters cometen, és clar, regularitats, marcades per una tendència excessiva a alternar 1 i 0. “The BIG Bell Test” incorporava animacions i sons, nivells progressius d’exigència i recrutament a través de les xarxes socials. El joc era disponible en set llengües (xinès, anglès, espanyol, francès, alemany, italià i català).

Com que calia sincronitzar els Bellsters amb els experiments es fixà una data concreta, el dimecres 30 de novembre del 2016. Es trià el mes de novembre pensant en el cicle d’activitat escolar, i s’optà per final de mes perquè la ressaca electoral de les presidencials nord-americanes no hi afectés gaire. La campanya de difusió en xarxes socials i en premsa fou considerable. Es generà un sistema per a la identificació de bots, per tal de què les dades que aquests bots generessin no entressin en els experiments.

Com que l’experiment era mundial, sota el signe del 30 de novembre del 2016 caben 51 hores, per bé que la majoria d’aportacions se centraren entre les 6:00 UTC del 30 de novembre a les 6:00 UTC del 31. Entre les 9:00 UTC i les 21:00 UTC, l’entrada de dades fou superior a 1000 bits per segon.

Els tretze experiments

Els tretze experiments eren els següents:
– 1. Griffith (Brisbane). Entrellaçament fotònic
– 2. EQUS (Brisbane). Entrellançament fotònic
– 3. USTC (Shanghai). Entrellaçament fotònic.
– 4. IQOQI (Viena). Entrellaçament fotònic.
– 5. Sapienza (Roma). Entrellaçament fotònic
– 6. LMU (Munic). Entrellaçament fotó-àtom.
– 7 ETHZ (Zuric). Entrellaçament de qubits superconductors.
– 8. INPHYNI (Niça). Entrellaçament fotònic
– 9. ICFO (Barcelona). Entrellaçament fotó-ensems atòmic.
– 10. ICFO (Barcelona).
– 11. CITEDEF (Buenos Aires). Entrellaçament fotònic
– 12. CONCEPCION (Xile). Entrellaçament fotònic
– 13. NIST (Boulder). Entrellaçament fotònic.

Tots els experiments oferien resultats compatibles amb la desigualtat de Bell i, per tant, en fort desacord amb el realisme local. Els resultats també assenyalen que l’agència humana és incompatible amb el determinisme causal.

Publicat dins de 1. L'Univers | Envia un comentari

Els companys de llit dels ximpanzès

Avui diversos diaris han comentat el fet que els llits dels ximpanzès són més nets que els dels humans. Així Tim Walker, a The Guardian titula el seu article com “Els nostres llits són més bruts que els nius de ximpanzè”. Bàsicament, Walker recorda que el 30% dels bacteris dels llits humans procedeixen del mateix cos humà, mentre que el percentatge homòleg en ximpanzès és negligible. Walker es basa en el comunicat de premsa de la NC State University, que es titula: “Si pensaves que els llits de ximpanzès són més bruts que els d’humans estaves equivocat”. I el cas és que aquest comunicat de premsa comenta l’article que Megan S. Thoemmes et al. han publicat al Royal Society Open Science. Thoemmes et al. volien estudiar la microfauna i la microbiota present en nius de ximpanzès i esperaven inicialment trobar resultats equiparables als que trobem en llits humans. Contràriament, s’han trobat que la microfauna i la microbiota dels nius de ximpanzès és bàsicament la de l’entorn natural, de manera que no són un focus rellevant de reinfecció o reinfestació. Si els nostres llits constitueixen veritablement un entorn antròpic, no podem dir que els nius de ximpanzès siguin estrictament un entorn ximpanzesitzat.

Una de les co-autores de l’estudi, Adriana Hernandez-Aguilar, recull mostres d’un niu de ximpanzè en Tanzània

Els llits de ximpanzè

Aquest estudi s’emmarca en la tesi doctoral de Megan Thoemmes sobre la història evolutiva dels àcars facials del gènere Demodex. La interacció d’aquests àcars amb els humans s’ha d’entendre pel fet que poblacions de la nostra espècie, amb la construcció d’habitatges i d’altres edificis, han creat ambients únics, diferents dels ambients naturals. Els ambients domèstics són, en termes generals, menys diversos i hi viuen organismes estretament dependents dels éssers humans, com ara els dits àcars Demodex. La idea de Thoemmes et al. era traslladar aquest coneixement a una construcció feta pels ximpanzès: els llits o nius on reposen.

En aquesta recerca, els membres del Departament d’Ecologia Aplicada de la NC State University, la mateixa Thoemmes, i Rob Dunn, el seu supervisor, i Matthew Bertone, David Baltzegar, Russell Borski i Kaitlin Coyle, comptaren amb la col·laboració d’investigadors de l’Ugalla Primate Project, Fiona Stewart, Adriana Hernandez-Aguilar, Naomi Cohen i Alexander Piel. Prengueren mostres per analitzar els microorganismes presents en 41 llits en ximpanzès. També estudiaren els artròpodes presents (en 15 llits). Compararen aquests resultats amb els de l’entorn d’aquests llits. Esperaven trobar que els llits de ximpanzès serien menys diversos (microbiològicament i artropodològicament) que les branques i fulles properes, i que hi trobarien microorganismes i artròpodes associats als mateixos ximpanzès. Però no fou el cas. Tot el més que trobaren foren quatre espècimens d’artròpodes ectoparàsits, sense poder assegurar tampoc que siguin procedents dels ximpanzès que hi dormien. La composició microbiana de les mostres estudiades depèn més de si és l’estació seca o humida i de l’alçada del nivell del mar que de si es tracta o no d’un llit de ximpanzè. Això no vol dir els ximpanzès no hi deixin una petjada microbiana, sinó que aquesta petjada és menor que la produïda pel propi entorn. Així doncs, els llits no suposen per als ximpanzès una exposició a microoganismes gaire diferent de la del propi entorn.

Es tracta, doncs, d’una situació diferent a les de llars humanes. És clar que l’ésser humà no sempre ha viscut en llars. La construcció d’habitatges comença fa uns 300.000 anys, per bé que no es generalitza fins fa uns 20.000 anys. No és gaire forassenyat dir que un dels signes de la cultura humana es manifesta a través de la construcció d’habitatges i de magatzems, i de la modificació del terreny que això comporta, i al voltant de la qual s’erigeixen infrastructures més i més complexes. És cert que fins i tot en la humanitat actual hi ha una notable variació en el disseny i ús d’edificis. Segons dades d’Habitat, 1.600 milions de persones manquen d’un habitatge adequat, i hi ha desenes de milions de persones sense llar. Però en termes generals les interaccions humanes amb altres organismes es fan a través d’aquest entorn “edificat” o “artificial”.

Una conseqüència d’aquest antropització de l’espai en el qual vivim s’expressa en l’anomenada “hipòtesi de la higiene”. Segons aquesta hipòtesi, aquest procés fa que ja no siguem exposats a una diversitat microbiana tan àmplia com la dels nostres ancestres originaris, i que això explicaria alguns problemes immunològics (com ara les al·lèrgies).

L’ésser humà no és l’únic mamífer constructor. Hi ha rossegadors i lagomorfs que excaven llodrigueres. Tots els grans simis tenen el costum de construir un niu, o més ben dit un llit, almenys cada dia. Preferentment és emprat per al descans nocturn i abandonar l’endemà al matí. Els nius de ximpanzès no són gaire diferents dels nius de goril·les o els nius d’orangutans, i hom ha arribat a dir que la construcció de nius és la forma de cultura material o tecnològica més antiga entre els homínids.

El llit de ximpanzè és una estructura complexa, feta de l’entrellaçament de branques que, una vegada es constitueixen en un fonament segur, són la base d’un matalàs fet de fulles. Els antropòlegs encara no coneixen bé quina funció principal fa el llit per al ximpanzè. Hom suposa que forneixen protecció contra el vent o contra depredadors; o bé que fan més còmode el descans; o fins i tot que són una protecció contra plagues i patògens. El cas és que els ximpanzès passen més de la meitat del temps en llits. La construcció del llit no es deixa l’atzar, ni pel que fa a l’emplaçament ni pels materials emprats.

La Vall d’Issa

El Projecte de Primats Ugalla s’ha estès recentment a tot el gran ecosistema de Mahale, a l’est del Llac Tanganica. La vall d’Issa és a uns 90 km al nord-est del límit del Parc Nacional de les Muntanyes de Mahale. La ciutat més propera és Uvinza (35.000 habitants), a uns 60 km al nord-oest. L’altura respecte al nivell de la mar oscil·la entre 900 metres (en les fondanades de les valls) a 1800 metres. La vegetació és el bosc savanoide de miombo (Brachystegia i Julbernardia), interromput per zones pantanoses i pastures, així com pel bosc més dens en zones de ribera. S’alternen dues estacions, la humida (de novembre a abril) i la seca (de maig a octubre), amb una mitjana de precipitació de 1200 mm. La principal oscil·lació tèrmica és la circadiana, amb temperatures que van dels 11ºC als 35ºC.

La comunitat de ximpanzès de la Vall d’Issa es mou per un territori de 85 km2. Hom calcula que el nombre de ximpanzès és d’una setantena. En aquest estudi recolliren mostres de 41 llits de ximpanzès i dels seus entorns, entre l’agost del 2013 i l’agost del 2014. En 15 d’aquests 41 parells de mostres es féu un estudi dels artròpodes presents. Per realitzar l’estudi, els investigadors comptaren amb el permís corresponent (2014-202-ER-2011-94) de l’Institut de Recerca de Vida Salvatge de Tanzània i de la Comissió de Ciència i Tecnologia.

Els ximpanzès no reutilitzen els llits més d’una nit. Alguns dels llits inclosos en l’estudi són frescos (abandonats de fa 1 dia), d’altres són recents (2-7 dies des de l’abandonament) i d’altres són vells (11-35 dies). En altres indrets, on la comunitat de ximpanzès està més habituada als observadors humans, hauria estat possible fer una assignació individual de cada llit. No és el cas, però, de la Vall d’Issa.

L’anàlisi microbiològica

Els hisops emprats en la recollida de mostres de pols eren els mateixos que els que s’utilitzen en les anàlisis de pols d’habitatge als Estats Units. En el cas dels 41 llits, la pols es recollia d’una de les branques emprades en la construcció. En 14 dels 41 llits, també es va collir pols d’una de les fulles del matalàs. Les mostres experimentals que feien de control es prenien del mateix arbre, a una alçada semblant.

De cada mostra es realitzava una extracció d’ADN. L’ADN extret era sotmès a una amplificació de PCR per tal d’obtindre amplicons dins de la regió V1-V2 del gen de l’ARN ribosòmic 16 S (emprant els primers 8F 5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′ i 338R 5′-GCTGCCTCCCGTAGGAGT-3′). Els amplicons eren seqüenciats en una plataforma Illumina. En total, obtingueren 3.088.288 seqüències, que identificaren com a pertanyents a 8913 unitats taxonòmiques operatives diferents. Un filtratge per descartar les unitats de les quals no es tenien seqüències de prou qualitat, reduí la llista a 1967. Cada mostra, doncs, era comparada en relació a l’abundància de cadascuna de les 1967 unitats taxonòmiques. Aquestes abundàncies foren comparades amb les d’altres estudis (llits d’humans, excrements de ximpanxès, etc.).

L’anàlisi artropodològica

En 15 llits de ximpanzès es recolliren mostres amb una aspiradora entomològica, aplicada a l’interior del llit durant dos minuts. Com a control s’empraren mostres collides directament del terra situat sota el llit (30 mostres). Les mostres eren guardades en etanol, i trameses al laboratori de Dunn. La identificació dels artròpodes la feia Bertone, que provava d’afinar el màxim a través de l’observació de la morfologia dels espècimens intactes. No és pas una tasca fàcil. Moltes espècies d’invertebrats dels boscos de Tanzània romanen sense caracteritzar, de manera que Bertone de vegades no podia arribar a identificar ni l’espècie ni tan sols la família. L’objectiu, al capdavall, era cercar preferentment els artròpodes associats amb primats, que sí són més ben caracteritzats.

Com ja hem dit, tan sols van trobar quatre espècimens d’ectoparàsits.

El microbioma dels llits de ximpanzès

En total, Thoemes et al. identifiquen 1896 unitats taxonòmiques en els 41 llits de ximpanzès, i 1784 unitats taxonòmiques en les 41 mostres ambientals. Els tres grups més comuns, proteobacteris, actinobacteris i bacteroidetes, constitueixen més del 90% de les seqüències. Les famílies més abundants són les Methylocystaceae (alfaproteobacteris rizobials), les Pseudonocardiaceae (actinobacteris) i Microbacteriaceae (actinobacteris), i això val tant per als llits de ximpanzès com per a les mostres ambientals.

El microbioma dels llits de ximpanzès presenta una diversitat semblant al microbioma de l’entorn. Les mostres recollides en l’estació seca són les més diverses. La diversitat de les diferents mostres s’explicava doncs per l’estacionalitat i per l’altura de localitat per damunt del nivell del mar. No hi havia diferències degudes a l’edat del llit o degudes a si la pols era recollida d’una branca o d’una fulla.

Pel que fa a la composició del microbioma, les diferències s’expliquen sobretot per l’elevació de la localitat (46%) i per l’estacionalitat (13%).

L’impacte dels ximpanzès en el microbioma dels llits era, doncs, escàs. No obstant, que un llit fos ocupat per més d’un ximpanzè sí afecta ni que sigui marginalment a la composició. Ara bé, dels gèneres bacterians més abundants en la femta de ximpanzè (Oscillabacter, Roseburia, Faecalibacterium, Caprococcus) no se’n trobà ni un en les mostres analitzades (ni en les de llit ni en les ambientals). Tan sols en un 5% de les mostres, i en una abundància del 0,008% del total de seqüències identificades, s’hi trobava la presència de Ruminococcus, un bacteri fecal. Però aquest Ruminococcus no era pas més abundant en els llits que en les mostres control. En termes generals, no hi havia diferència en la proporció de bacteris fecals en les mostres de llit i les mostres control.

Pel que fa a bacteris associats a la pell, aquests tampoc no eren més comuns en els llits que en les mostres ambientals (assolien en totes dues un 2,4% de les lectures). El gènere bacterià més abundant en la pell de ximpanzès i goril·les és Corynebacterium, del qual Thoemmes et al. no trobaren restes en les seves mostres.

Pel que a bacteris orals, aquests sí són més abundants en els llits (0,82% de les lectures) que no pas en les mostres control (0,03% de les lectures).

Comptat i debatut, els tàxons bacterians associats al cos dels ximpanzès (fecals, cutanis, orals) suposen tan sols el 3,5% de les seqüències llegides en les mostres de llits.

Els artròpodes dels llits de ximpanzès

Els artròpodes són més abundants en el terra que no pas en el llit dels ximpanzès. Així, Thoemmes et al. comptaren 226 espècimens en les mostres ambientals i 108 en les mostres de llit. Aquests 108 espècimens pertanyen a 47 morfoespècies diferents i a 12 ordres diferents.

D’artròpodes ectoparàsits de mamífers tan sols han trobat tres espècimens. Pertanyen a Phlebotominae (dípters psicòdids) i a Ceratopogonidae (dípters). Tots tres espècimens foren recollits de mostres de llit i no pas del terra.

El quart espècimen sospitós és un possible insecte hematòfag de la família dels Anthocoridae (hemípter).

Cal dir que en una mostra del terra van identificar una larva de Ceratopogonidae, encara que les larves no són hematòfagues.

En alguns llits de ximpanzès van trobar escarabats de la família dels silvànids. Algunes espècies de silvànids es troben sovint en llars. Però els silvànids dels llits de ximpanzès pertanyen al gènere Airaphilus, que s’alimenten fonamentalment d’espores fúngiques i de matèria vegetal morta, de forma que es troben sovint sota l’escorça d’arbres morts o en la fullaraca. No sembla, doncs, que siguin gaire dependents dels llits de ximpanzès.

En resum, de tots els artròpodes recollits en els llit no n’hi havia cap de fortament dependent de ximpanzès o de mamífers.

L’ecologia del lloc on dormim

Thoemmes et al. hipotetitzen que, durant desenes de milions d’anys, els sistemes immunitaris dels mamífers han evolucionat en el context d’una exposició freqüent a espècies ambientals. El lloc on es dorm és un altre espai d’exposició a patògens, a bacteris ambientals, a insectes i a altres organismes. Com més vida fan els humans dins d’habitatges, menys diversos són els organismes als quals ens exposem.

Els llits de ximpanzès, des d’aquest punt de mira, tenen poc o gens a veure amb els llits d’humans. La diversitat bacteriana dels llits de ximpanzès és semblant a la de l’ambient. En els llits de ximpanzès hi ha nul·la acumulació de microorganismes associats al seu propi cos. Com a exposició a bacteris i artròpodes, el llit del ximpanzè no difereix de l’entorn i fluctua amb aquest (en termes d’estacionalitat, d’altura sobre el nivell de la mar).

Inicialment, Thoemmes et al. esperaven trobar una altra cosa. Al capdavall, el fet que els grans simis típicament abandonin un llit després d’utilitzar-lo durant la nit podria indicar una estratègia per evitar l’acumulació de microorganismes associats al propi cos. En canviar cada dia de llit, ximpanzès, goril·les o orangutans es veurien menys exposats a patògens i paràsits, i també a adquirir olors corporals associades a microorganismes que donessin pistes a potencials depredadors.

Els resultats de Thoemmes et al. indiquen que l’ús i abandonament del llit funciona per evitar acumulacions d’aquests microorganismes. La manca de bacteris fecals s’explica pels hàbits de defecació dels ximpanzès, que caguen sempre per damunt de les vores del niu, evitant que s’embruti. Les dades de Thoemmes et al. mostren que aquesta estratègia de defecació és efectiva.

En els ximpanzès s’han descrit 60 espècies d’artròpodes paràsits i patògens (polls, àcars de pèl, etc.). Que no hi hagi ni rastre d’aquests artròpodes en els llits dels ximpanzès indica, segons Thoemmes et al., que l’esporga interindividual és efectiva per contindre els ectoparàsits.

Els llits dels hominins

El llinatge del gènere Pan i del gènere Homo se separà fa uns 10 milions d’anys. L’ancestre comú d’un i altre devia construir llits, com també fan goril·les i ximpanzès. L’hàbit de construir llits s’associa a hàbits arboris. És cert que el llinatge hominí s’apartà d’aquests arborietat, però trets arboris encara devien ser presents en Ardipithecus ramidus, Australopithecus afarensis i Homo habilis.

Proteobacteris i actinobacteris són els grups microbians més abundants en els llits de ximpanzès. També ho són en les llars humanes. Ara bé, en els llits de ximpanzès trobem bàsicament microorganismes ambientals/edàfics (Methylocystaceae, Pseudonocardiaceae, Microbacteriaceae). En les llars humanes abunden però les famílies associades amb la pell o amb la femta humana (Streptococcaceae, Corynebacteriaceae, Lactobacillaceae).

De manera semblant, mentre en els llits de ximpanzès no hi ha insectes que en depenguin, en les llars humanes hi ha una diversitat d’artròpodes, dels quals una bona part viuen de manera dependent dels éssers humans.

Thoemmes et al. pensen que fou cabdal en l’evolució humana la transició de dormir en llits d’una sola nit a dormir repetidament en el mateix lloc. Això obria la porta a exposicions recurrents amb les mateixes espècies, de manera que augmentà aquesta interacció, especialment a mesura que la major part de la vida diària té lloc dins d’espais tancats.

Lligams:

Ecology of sleeping: the microbial and arthropod associates of chimpanzee beds. Megan S. Thoemmes, Fiona A. Stewart, R. Adriana Hernandez-Aguilar, Matthew A. Bertone, David A. Baltzegar, Russell J. Borski, Naomi Cohen, Kaitlin P. Coyle, Alexander K. Piel, Robert R. Dunn. Royal Society Open Science 180382 (2018).

Publicat dins de 4. L'Animal | Envia un comentari

El genoma ancestral dels metazous: com el regne animal començà curull de novetats evolutives

El passat 30 d’abril, Nature Communications publicava un article de Jordi Paps i Peter W. H. Holland en el qual fan una reconstrucció del genoma del darrer ancestre comú de tots els grups actuals d’animals pluricel·lulars o metazous. El terme “metazou” és generà per contraposició a “protozou”, terme sota el qual s’assenyalen una diversitat d’animals unicel·lulars. No obstant, el concepte actual més habitual de Regne Animal exclou aquests protozous i és doncs equivalent al de Regne de Metazous. Val a dir que entre els “protozous” i els “metazous” trobem una sèrie de grups “de transició” que són de vegades denominats “parazous”. És a través de la genòmica comparada entre metazous i parazous, que Paps & Holland infereixen quin era el genoma del “primer metazou” (l’urmetazou) en termes de contingut mínim de gens codificadors de proteïnes. En comparar el genoma mínim de l’urmetazou amb el genoma mínim de diversos grups de “protozous”, Paps & Holland identifiquen les novetats genètiques associades a l’aparició del Regne Animal. La llista de Paps & Holland inclou 25 grups de gens específics de metazous. És una llista llarga que indica dues coses. La primera és que la novetat evolutiva associada al Regne Animal és més considerable que no pas es pensa habitualment. I la segona és que un 55% dels gens dels metazous actuals són compartits en termes generals amb aquell urmetazou.

Reconstrucció dels genomes ancestrals a partir dels genomes de tota una sèrie de metazous moderns

L’aparició del Regne Animal

Els tres dominis de la vida són el bacterià, l’arqueà i l’eucariòtic. Els dos primers dominis són organismes procariòtics. Els organismes eucariòtics, amb cèl·lules de major complexitat estructural (amb un nucli separat del citoplasma) són considerats en l’esquema evolutiu com un graó superior respecte dels procariòtics. El domini eucariòtic és classificat de vegades en un esquema de “quatre regnes”, amb un regne basal unicel·lular (el Regne dels Protoctistes) i tres regnes apicals: els Regnes de les Plantes, dels Fongs i dels Animals. El Regne dels Animals és anomenat de vegades Regne dels Metazous, ja que fora d’aquest regne trobem alguns grups classificats tradicionalment com a animals (i que ara, com a protozous o parazous, són comptats entre els protoctistes). En certa mesura, els tres regnes apicals eucariòtics poden ser considerats un graó superior en termes organitzatius, particularment pel que fa a la pluricel·lularitat. Ara bé, dels tres, són els animals metazous els més diversos en termes d’espècies descrites (1,6 milions).

Aquest esquema classificatori és essencialment un esquema evolutiu, una versió moderna de l’scala naturae aristotèlica. Si seguim però estrictament criteris de descendència, haurem d’adoptar una classificació cladística. En aquest esquema, el Domini Eucariòtic és subdividit en clades dicotòmics. Un d’aquests clades és el supergrup dels opistoconts (anomenats així pel flagel o cili posterior que trobem en algunes fases unicel·lulars). Dins dels opistoconts hi ha grups unicel·lulars a banda dels fongs (o eumicets) i dels animals (o metazous). Els grups unicel·lulars opistoconts més estretament relacionats amb els metazous serien els coanoflagelats, els filastereans i els ictiosporeans.

En qualsevol cas, però, els metazous constituirien un exemple de “salt evolutiu”. Aquest salt es produí en algun moment poc definit del Neoproterozoic (fa entre 1000 i 600 milions d’anys). Hi devien contribuir factors ambientals (les condicions del medi marí) i ecològics (la interacció entre organismes), però Paps & Holland també assenyalen el paper que jugarien funcions biològiques codificades en el genoma. El salt a la pluricel·lularitat exigí el paper de gens reguladors (factors de transcripció, vies de senyalització), de l’adhesió cel·lular (cadherines), de l’especialització cel·lular, del cicle cel·lular i de mecanismes immunitaris. Molts dels gens associats amb aquests funcions de pluricel·lularitat devien ésser recrutats de gens ja existents en els ancestres unicel·lulars. Però d’altres gens constituirien autèntiques novetats. Paps & Holland se centren en aquest segon aspecte, i pensen que les novetats genòmiques tingueren un impacte especial en la multicel·lularitat (regulació gènica, senyalització, adhesió intercel·lular, regulació del cicle cel·lular). Per investigar aquestes novetats empren eines de genòmica comparada per tal de reconstruir el genoma ancestral de darrer ancestre comú de tots els metazous actuals.

Metodologia

Les eines bioinformàtiques utilitzades per Paps & Holland són prou sofisticades. Entre els genomes comparats cerquen grups homòlegs de proteïnes i n’identifiquen les relacions filogenètiques.

El punt de partida són les seqüències teòriques de 1.494.207 proteïnes de 62 genomes eucariòtics diferents. Entre aquests 62 genomes hi ha 44 genomes de 14 divisions diferents de metazous i 18 fenomes de 8 llinatges no-metazoics.

Comparar totes aquestes seqüències proteiques suposa obtindre 2.232.654.558.849 comparacions. D’aquestes comparacions infereixen 268.440 grups amb homologia gènica.

Paps ha denominat PAPS el seu programa en Perl per gestionar aquests resultats (“Phyllogenetically-Aware Parsing Script“) i classificar-los en:
– grups d’homologia “ancestral” (és a dir grups d’homologia presents en el darrer ancestre comú de cada clade).
– grups d’homologia “nova” (grups d’homologia presents en el darrer ancestre comú d’un clade però absents en tot altre clade).

Aquests grups d’homologia són anotats funcionalment d’acord amb el genoma funcional de Drosophila melanogaster.

268.440 grups d’homologia

Les 1.494.207 proteïnes analitzades són agregades en 268.440 grups d’homologia. Per exemple, les proteïnes humanes analitzades s’agreguen en 9.451 grups d’homologia. En el cas de Drosophila melanogaster aquesta xifra baixa a 7.618. Les dades numèriques obtingudes per Paps & Holland segueixen malgrat tot un paral·lelisme amb la taxonomia clàssica de gens (famílies, classes, superfamílies) i d’organismes. Hi ha grups d’homologia que s’identifiquen amb una família de gens, amb una classe de gens o amb una superfamília de gens.

El genoma de l’urmetazou

Tècnicament, l’urmetazou seria el primer metazou o ancestre comú de tots els metazous. Ell mateix és un ancestre de l’anomena “darrer ancestre comú” de tots els metazous actualment existents. A efectes pràctics, però, els dos conceptes es poden considerar equivalents.

El genoma de l’urmetazou contindria 6331 grups ancestrals d’homologia. Aquest nombre, però, depèn del criteri filogenètic que es faci servir, i el nombre baixaria a 4929 si els ctenòfors fossin exclosos del grup de metazous.

Un ctenòfor del gènere “Beroe”

Si acceptem el nombre de 6331 grups d’homologia, això no vol dir que el genoma de l’urmetazou contingués tan sols 6331 gens codificants de proteïna. Alguns grups d’homologia podrien ser presents en forma de múltiples gens (famílies gèniques). Per exemple, els 6331 grups ancestrals metazoics descrits es corresponen a 8270 gens en Drosophila melanogaster i a 13.034 gens en Homo sapiens. Això vol dir que el 55-60% dels gens d’aquestes dues espècies deriven de grups d’homologia ja presents en l’urmetazou.

Aquests 6331 grups ancestrals no s’han conservats pas de manera igual en tots els grups de metazous. De fet, tals 922 grups ancestrals es troben en 43 o 44 dels 44 genomes metazoics analitzats. La pèrdua gènica i la divergència explicaria aquesta baixa xifra.

Pel que fa a funcionalitat, els 6331 grups ancestrals identificats inclouen especialment classes de proteïnes implicades en la regulació gènica (unió a àcids nucleics, factor de transcripció), en activitats catalítiques (hidrolases, transferades, oxidoreductases), en vies de senyalització (Wnt, TGF-beta, senyalització per cadherines i integrines).

En termes de classes funcionals, el proteoma de l’urmetazou no difereix gaire del proteoma dels metazous moderns o del proteoma dels ancestres holozous anteriors a l’urmetazou.

Les novetats genòmiques de l’urmetazou

Paps & Holland identifiquen 1189 grups d’homologia nous associats al genoma de l’urmetazou. És un nombre considerable si se’l compara amb les xifres de nodes més antics. De fet el 19% dels grups d’homologia del genoma de l’urmetazou són “nous”. Aquests grups d’homologia nous semblen dedicats especialment a funcions reguladores (unió a àcids nucleics, factors de transcripció, molècules de senyalització) i no pas tant a funcions enzimàtiques o metabòliques.

La transició als primers metazous s’acompanyà, doncs, un augment de la innovació genòmica. Aparegueren gens nous que codificaven funcions reguladores i que han tingut en els grups posteriors de metazous una gran diversificació i un rol ubicu associat a la multicel·lularitat.

Els 25 grups d’homologia sorgits en l’urmetazou i retinguts per gairebé tots els seus descendents

Són 25 els grups d’homologia que aparegueren en l’urmetazou i que són encara presents en 43 o 44 dels 44 genomes de metazous examinats. D’aquests 25, n’hi ha 8 que codifiquen components claus de dues vies de senyalització intracel·lular, Wnt i TGF-beta. Aquestes vies de senyalització foren cabdals en la transició a multicel·lularitat, probablement per fornir mecanismes de desenvolupament axial.

Uns altres 7 d’aquests 25 grups codifiquen factors de transcripció (NKL, SIX, POU, Hes bHLH, bHLH-PAS, bHLH-twist, ETS).

Un altre grup inclou les proteïnes CPEB, que s’uneixen a la cua poli-A dels ARNm i que, segons el context, activen o reprimeixen la traducció d’aquests ARNm.

Uns altres 3 grups són implicats en l’adhesió cel·lular.

Dos altres grups contenen gens implicats en la regulació del cicle cel·lular.

Quatre altres grups inclouen gens amb funcions vinculades amb el sistema nerviós. Val a dir que no tots els metazous tenen sistema nerviós, començant pel mateix urmetazou (esponges i placozous tampoc no en tenen).

Les pèrdues de gens com a motor de l’evolució

En els nodes evolutius estudiats per Paps & Holland, es reflecteix també la pèrdua de gens. Així, l’urmetazou va perdre respecte dels ancestres anteriors 503 grups d’homologia. L’urbilateri, al seu torn, en perdé 520.

Genomes ancestrals

Paps & Holland ens ofereixen dades de set nodes evolutius:- el primer holozou: ancestre comú de metazous, coanoflagelats, filasteris i ictiosporis.
– el node 1: ancestre comú de metazous, coanoflagelats i filasteris.
– el node 2: ancestre comú de metazous i coanoflagelats.
– el primer metazou: ancestre comú de tots els metazous.
– el primer eumetazou: ancestre comú dels eumetazous (tots els metazous excepte els porífers o esponges).
– el primer planulozou: ancestre comú dels planulozous (tots els eumetazous excloent-hi placozous i ctenòfors).
– el primer bilateri: ancestre comú dels metazous bilateris.

Les dades que ens ofereixen tenen una natura provisional, i pensen que la inclusió de nous genomes en l’anàlisi podrien canviar alguns valors. També ho podria fer un estudi més ampli que tingués en compte els gens no-codificants, regions reguladores i mecanismes epigenètics.

En qualsevol cas, és remarcable la novetat genòmica associada a l’urmetazou. Això es podria explicar pel que fet que el node evolutiu corresponent hauria seguit a una branca perllongada en el temps, durant la qual s’haurien aplegat els components moleculars de la “nova” biologia animal. Alternativament, podria ser que el node associat als primers metazous es caracteritzés per una ràpida evolució genòmica. Les causes subjacents a aquesta ràpida evolució genòmica podrien trobar-se en factors ambientals que promoguessin les taxes de mutació o a duplicacions de genoma sencer (poliploidies).

Lligams:

Reconstruction of the ancestral metazoan genome reveals an increase in genomic novelty. Jordi Paps, Peter W. H. Holland. Nature Communications 9: 1730 (2018).

Publicat dins de 4. L'Animal | Envia un comentari

L’origen bacterià dels mitocondris: dins o fora dels alfaproteobacteris

Fa poc més de 50 anys, Lynn Margulis postulà la teoria endosimbiòtica per explicar l’origen de la cèl·lula eucariota, és a dir de les cèl·lules que trobem en protozous, algues, fongs, plantes o animals. Aquestes cèl·lules tanquen el seu material genètic en un orgànul (el nucli), envoltat per una doble membrana. La complexitat d’aquest tipus cel·lular es complementa amb altres orgànuls especialitzats. Un d’aquests orgànuls és el mitocondri, que pobla per centenars o milers les cèl·lules eucariotes, i que du a terme diferents funcions, la més destacada de les quals és la fosforilació oxidativa, base de la respiració cel·lular. Segons Margulis, aquests mitocondris són els descendents d’un organisme procariota que vivia en l’interior de la cèl·lula urcariota (l’ancestre comú dels eucariotes). La genètica molecular ha confirmat aquesta teoria. El genoma mitocondrial és, de fet, la darrera resta del genoma d’aquell endosimbiont. La genètica molecular, a més, ha permès reconstruir l’arbre filogenètic de tots els organismes vivents, produint una revolució en la taxonomia. És així com els organismes vivents han estat classificats en tres dominis: bacteris, arqueons i eucarionts. I cadascun d’aquests dominis ha estat subdividit en regnes. L’endosimbiosi i altres processos de transferència genètica horitzontal complementen aquest arbre. Però els nous coneixements suposen noves qüestions. Per exemple, a mesura que han millorat els coneixements sobre la diversitat i la filogènia dels bacteris, hom s’ha fet la qüestió de quin dels grups bacterians sorgiren els ancestres dels mitocondris. Hom ha assenyalat sovint als alfaproteobacteris i, dins d’ells, als rickettsials. És en aquest darrer debat on s’incardina una recerca metagenòmica duta a terme per un grup d’investigadors liderat per Thijs J. G. Ettema. En un article publicat a la revista Nature, conclouen que els mitocondris evolucionaren a partir d’un grup de proteobacteris, però no situat dins del tàxon dels alfaproteobacteris.

Electromicrografia de transmissió d’un tall ultrafi de teixit pulmonar, en el que observem dos mitocondris. El nom de mitocondri fou encunyat en el 1898 per Carl Benda en els seus estudis sobre espermatogènesi i fa referència a l’aspecte filamentós d’aquests bioblasts.

L’ancestre dels mitocondris

Els mitocondris són els orgànuls de doble membrana que constitueixen la font principal dels enllaços fosfat que, en forma d’ATP (trifosfat d’adenosinmononucleòtid), alimenten bona part de les necessitats energètiques de la cèl·lula eucariòtica. En major o menor mesura, els mitocondris dels diferents organismes eucariòtics retenen encara una part, certament reduïda, de genoma propi. Aquest genoma mitocondrial és, de fet, un residu del seu genoma ancestral, ja que una bona part dels gens originaris es troben incorporat en els genoma nuclear. Els estudis de genoma mitocondrial es fan servir habitualment per reconstruir les relacions filogenètiques de grups d’eucariotes, però també haurien de pdoer servir per reconstruir les relacions filogenètiques dels mitocondris i de trobar-hi els grups bacterians que els hi són més propers.

Els estudis filogenètics de Carl Woese (1928-2012), basats en els gens ribosomals, permeteren una reconstrucció de l’arbre de la vida. En el 1987, Woese definí els “proteobacteris” com un grup en el qual s’integrava una gran diversitat de bacteris gramnegatius. Els proteobacteris foren subdividits en cinc grups, denominats d’acord amb l’alfabet grec: alfaproteobacteris, betaproteobacteris, gammaproteobacteris, deltaproteobacteris i epsilonproteobacteris.

D’acord amb els gens ribosomals, els mitocondris entrarien dins del grup dels alfaproteobacteris, o bé hi serien ben a prop. Alguns pensen que els protomitocondris haurien d’haver fet part dels grup dels rickettsials, idea atractiva perquè dins d’aquest grup de bacteris trobem paràsits intracel·lulars i endosimbionts. Però d’altres han assenyalat altres grups d’alfaproteobacteris com a candidats a acollir els protomitocondris.

Yhijs J. G. Ettema lidera un laboratori de diversitat i evolució microbiana del Departament de Biologia Cel·lular i Molecular de la Universitat d’Uppsala. Ettema creia que per avaluar la situació filogenètica dels mitocondris calia ampliar el ventall d’alfaproteobacteris estudiats. Per fer-ho pensà en els ecosistemes marins, on resideix bona part de la diversitat proteobacteriana. El Consorci Oceanològic Tara ha fet estudis metagenòmics de bacterioplàncton al Pacífic i a l’Atlàntic. G. Herndl i C. Schleper els posaren a disposició d’Ettema, que també comptà amb el genoma de Magnetococcus yuandaducum (seqüenciat recentment per M. Wu). Joran Martijn (d’Uppsala), Julian Vosseberg (d’Uppsala, però ara traslladat a la Universitat d’Utrecht) i Pierre Offre (de l’Institut Max Planck de Microbiologia Marina, de Bremen, i del Departament de Microbiologia Marina i Biogeoquímica de la Universitat d’Utrecht) feren un cribatge d’aquestes dades metagenòmiques. Martijn i Vosseberg feren les reconstruccions dels genomes subjacents, i Martijn hi féu anàlisis genòmiques i filogenètiques. El treball bioinformàtic es dugué a terme al Centre UPPMAX de la Universitat d’Uppsala. La recerca comptà amb el finançament dels projectes d’Ettema amb el Consell de Recerca Europea, la Fundació Sueca per a la Recerca Estratègica i el Consell Suec de Recerca.

Al costat de Martijn i Ettema, en l’anàlisi i interpretació de resultats participà Lionel Guy, del Departament de Bioquímica i Microbiologia Mèdiques de la Universitat d’Uppsala. Martijn i Ettema redactaren una proposta d’article, que fou revisada i aprovada després per Vosseberg, Guy i Offre. La trameteren a la revista Nature el passat 29 de juny. Seguí un procés de revisió que conclogué el 2 de març, i el 25 d’abril es procedí a la seva publicació.

L’exploració metagenòmica d’alfaproteobacteris oceànics

Localització en els Oceans Pacífic i Atlàntic de metagenomes del projecte Tara inclosos en aquest estudi (a). L’arbre filogenètic (b) relaciona els genomes subjacents d’aquestes mostres (en vermell) amb genomes ja coneguts d’alfaproteobacteris i de mitocondris

Els metagenomes oceànics obtinguts en els projecte Tara inclouen elements procedents d’una multitud de llinatges bacterians. La primera tasca, doncs, es resoldre’n els genomes subjacents a aquests metagenomes. En fer-ho, Martijn et al. accedeixen a una major diversitat genòmica d’alfaproteobacteris que no pas aconseguirien centrant-se únicament en els genomes coneguts, que se centren en la minoria de bacteris cultivables.

Martjin et al. identifiquen en aquests genomes un total de dotze clades, als quals afegeixen un clade proteobacterià no-alfa:

Les anàlisis filogenòmiques realitzades sobre aquestes dades ofereixen una major profunditat que les anàlisis filogenètiques clàssiques. Martijn et al. també tenen cura d’evitar artefactes propis d’aquestes anàlisis. D’aquesta manera, segons ells, els mitocondris no van evolucionar dins del grups dels rickettsials. Tampoc no ho haurien fet de cap dels llinatges coneguts d’alfaproteobacteris (magnetocòccids, caulobactèrids, etc.). De fet, considerant els dotze llinatges d’alfaproteobacteris oceànics, el llinatge mitocondrial també quedaria en fora. La comparació amb el tretzè llinatge considerat, però, indica que els mitocondris devien evolucionar d’un llinatge proteobacterià no-alfa.

La recerca del Laboratori d’Ettema es fonamenta en l’exploració de la diversitat microbiana amb tècniques metagenòmiques i de genòmica d’una sola cèl·lula. Això els permet aprofundir en la relació evolutiva entre arqueons, bacteris i eucarionts, i reconstruir l’origen i la història evolutiva de la cèl·lula eucariòtica a partir dels seus dos components (procariòtic i urcariòtic). Hauran, doncs, d’ampliar el ventall de proteobacteris analitzats per cercar el lloc que pertoca als protomitocondris. Possiblement el grup proteobacterià germà dels mitocondris sigui molt més fosc i desconegut que no pas els rickettsials, però cercar-lo també ens ajudarà a entendre millor la diversitat interna dels proteobacteris en general.

Lligams:

Deep mitochondrial origin outside the sampled alphaproteobacteria Joran Martijn, Julian Vosseberg, Lionel Guy, Pierre Offre, Thijs J. G. Ettema. Nature doi:10.1038/s41586-018-0059-5 (2018).

Ettema Lab.

Publicat dins de 3. La Vida | Envia un comentari

La melsa com a reservori d’oxigen en la immersió: l’efecte de la selecció natural en els sama-bajau

Els sama o bajau, originaris del sud de les Filipines, són considerats uns autèntics nòmades de la mar. Són en realitat una col·lecció de pobles que habiten l’arxipèlag Sulu, el litoral de Mindanao, la costa nord i oriental de Borneo, les Celebes, etc. El nombre total d’aquesta bangsa és d’1,1 milions. Fins fa no gaire la majoria vivien en embarcacions (lepa), com a Sama Dilaut o Bajau Laut. El mode de vida tradicional ha estat el de la pesca de subsistència, complementada amb el comerç martítim. Aquest estil de vida mariner implica una forta activitat d’immersió. És proverbial la capacitat de resistència que tenen per fer immersions, i això els ha fet objecte d’interès en recerques fisiològiques. Melissa Ann Ilardo, del Museu d’Història Natural de Dinamarca, va decidir fer la tesi doctoral sobre les adaptacions fisiològiques i genètiques a la immersió dels bajau. Juntament amb el seu supervisor, Eske Willerslev iniciaren el corresponent projecte de recerca, desenvolupat entre les comunitats bajau de Jaya Bakti i de Koyoan. En un article a la revista Cell, Ilardo et al. atribueixen a la selecció natural l’elevada mida de la melsa entre els bajau, que constituïria un reservori extra d’oxigen per a les immersions. També enumeren altres característiques en aquest sentit, que consideren rellevants per a la recerca sobre la hipòxia.

Embarcacions a Lahad Datu, a Sabah, al nord de l’illa de Borneo

L’adaptació a la immersió

Melissa Ann Ilardo concebé aquest projecte sobre la base fisiològica i genètica de les capacitats immersives dels “nòmades de la mar”. El projecte resultant fou iniciat per Ilardo i Eske Willerslev. En el disseny de l’estudi, a més d’Ilardo i Willerslev, participà Ramus Nielsen. Consultaren amb Richard Dougherty sobre les tècniques més adients d’imatge mèdica.

Per al treball de camp a Indonèsia, comptaren amb Suhartini Salingkat. També hi ajudaren Yani Mile i Mardiyanto Saahi. Aquest treball de camp es realitzà en les localitats de Jaya Bakti i de Koyoan, amb la participació i el suport de membres de les comunitats bajau i saluan, amb esment especial a Kepala Desa Hasan i Pai Bayubu.

La recol·lecció de mostres la feren Ilardo i Peter de Barros Damgaard. Ells dos prepararen l’ADN per a la seqüenciació amb Andaine Seguin-Orlando. La feina de seqüenciació la dugueren a terme el personal del GenomeDK HPC Hub de la Universitat d’Aarhus i el Centre de Seqüenciació d’ADN de Dinamarca, amb la participació dels tècnics de laboratori del Centre de GeoGenètica. Simon Rasmussen processà les dades de seqüenciació obtingudes. Nielsen supervisà totes les anàlisis computacionals, que foren realitzades per Ida Moltke, Jade Cheng, Thorfinn S. Korneliussen, Martin Sikora, Aaron J. Stern, Fernando Racimo i la mateixa Ilardo. Els estudis de genètica funcional foren dissenyats i coordinats per Mihai G. Netea i Leo A. B. Joosten, i dut a terme per Inge C. L. van den Munckhof i Rob ter Horst. Ilardo, Nielsen i Willerslev redactaren l’article, amb l’ajut de Kurt Kjær en el disseny gràfic. El text fou tramès a la revista Cell el 21 de juliol del 2017. Seguí un procés de revisió, i l’1 de gener del 2018, s’envià un text esmenat que fou acceptat el 21 de març. El 19 d’abril era publicat per la revista Cell.

Aquest projecte ha estat supervisat per Nielsen i Willerslev. Comptà amb el finançament de la Fundació Lundbeck, de la Fundació Nacional de Recerca de Dinamarca (projecte DNRF94), la Fundació Nacional de Ciència (FNU 109931), entre d’altres.

El projecte s’emmarca en l’estudi de la fisiologia i la genètica de la tolerància a la hipòxia. Sobre aquesta qüestió s’ha fet una recerca intensa entre les poblacions dels grans altiplans (Tibet, regió andina, Massís Etiòpic, etc.), però no s’ha prestat pas tanta atenció entre les poblacions que realitzen immersions marines de manera quotidiana.

Les regions marines del sud-est asiàtic són la llar d’una sèrie de pobles navegadors i pescadors que són referits com a nòmades de la mar. En el mapa s’assenyalen en verd les zones dels sama o bajau, en taronja les dels orang laut, i en blau les dels moken.

Així doncs, les capacitats d’immersió dels sama-bajau en l’inici de l’estudi no se sabia si atribuir-les a una base genètica o a un simple adaptació fisiològica. L’estudi d’Ilardo et al. mostren, a través de la genòmica comparada, que la selecció natural ha afavorit variants del gen PDE10, que promouen una mida superior de la melsa. Aquesta major quantitat melsa actua com un reservori addicional de glòbuls vermells carregats d’oxigen, la qual cosa augmenta la capacitat de tolerar la hipòxia durant les immersions.

El poble bajau

La humanitat és l’única espècie entre els mamífers que, en major o menor mesura, és present a tots els climes de la Terra. De les zones savanoides intertropicals d’Àfrica, d’on és originària la nostra espècie, a les zones més extremes, la plasticitat cultural humana és considerable. Però, a banda de les adaptacions culturals, o per sota d’elles, apareixen adaptacions fenotípiques individuals als extrems ambientals. Aquestes adaptacions fenotípiques consisteixen en un component d’adaptació genètica (innat) i en un component d’adaptació fisiològica (adquirit).

El poble bajau, durant més de mil anys, ha mantingut un estil de vida nomàdic associat completament a la mar. Se’ls pot considerar un poble caçador-recol·lector marítim. La recol·lecció submarina d’aliments hi juga un paper central. En l’estil de vida tradicional, fins a un 60% del temps diari de treball el passen sota l’aigua. Ajudats de protectors oculars de fusta i de peses són capaços de submergir-se a profunditats de més de 70 metres. Aquest estil de vida implica tota una sèrie de trets culturals i tecnològics, però també necessita d’una adaptació fisiològica a la immersió i a la hipòxia. L’adaptació a la immersió és comuna a totes les poblacions humanes i consisteix en bradicàrdia, vasoconstricció perifèrica, contracció de la melsa, etc.

Una part rellevant del coneixement sobre l’adaptació fisiològica a la immersió s’ha obtingut a través de les amas, les recol·lectores de perles d’Okinawa o de la Península d’Izu, a l’arxipèlag nipó. Fou entre elles que s’observà per primera vegada la contracció esplènica com a resposta a la immersió. Aquesta resposta esplènica és mediada per receptors adrenèrgics alfa-2, i consisteix en l’expulsió per part de la melsa de 160 mL d’eritròcits que, alliberats al corrent sanguini, augmenten el contingut d’oxigen de la sang.

Ilardo et al. plantejaren una recerca en dues fases. En la primera feren un escaneig genòmic dels bajau per tal d’identificar gens que haguessin patit una selecció natural específica. En la segona fase examinaren si cap d’aquests gens s’associa amb la mida de la melsa.

La mida de la melsa entre els bajau

L’illa de Cèlebes o Sulawesi, amb 174.600 km2 és l’onzena illa més gran del món. L’illa es divideix en quatre penínsules. És a la Península Central o Sulawesi Tengah on trobem dues localitats litorals, Jaya Bakti i Koyoan, separades per uns 25 km. Jaya Bakti és una localitat bajau, amb una intensa vida marinera. Koyoan és una localitat saluan, que viu més aviat d’esquenes a la mar.

Per a l’estudi d’Ilardo et al. foren recrutats 59 bajau de Jaya Bakti i 34 saluan de Koyoan. De cadascun dels participants se’n recolliren mostres de saliva. Mitjançant una màquina portàtil d’ultrasons es feren mesures de melsa. L’obtenció d’ultrasons en dos plans permet fer una estimació del volum de la melsa.

De les anàlisis genètiques descartaren 16 bajau i 1 saluan per tal de garantir que els individus inclosos en l’estudi no fossin parents estrets entre ells.

La mida de la melsa del bajau era superior a la dels saluan. No hi havia diferència en la mida de la melsa entre bajau que feien immersions i els qui no en feien. En les comparacions tingueren en compte variables com el gènere, l’edat, el pes i l’altura. Tot plegat els porta a pensar que hi ha una diferència fisiològica entre bajau i saluan pel que fa a la mida de la melsa, que no seria explicable per una resposta plàstica de la melsa a la immersió habitual.

La seqüència genòmica dels bajau i dels saluan

A partir de les mostres esmentades de saliva, Ilardo et al. generaren dades de seqüència genòmica, i les contrastaren amb les dades del projecte genòmic panasiàtic, que té presents uns 50.000 polimorfismes mononucleotídics.

L’anàlisi de components principals mostra que els bajau són més propers genèticament als saluan que a la majoria d’altres poblacions asiàtiques. També hi ha una afinitat amb una altra població de Sulawesi, els toraja. Bajau, saluan i toraja entren dins del gradient austronèsic-melanèsic. Comparats amb els saluan, els bajau mostren una major aportació del component austro-asiàtic. Els components austronèsic i melanèsic tenen un origen comú fa uns 16.000 anys. A final del I mil·lenni d.C., es detecta un flux genètic austronèsic cap a les poblacions melanèsiques, que és menor en l’altre sentit.

Per cercar factors genètics que hagin estat seleccionats positivament en els bajau i no en el saluan, Ilardo et al. utilitzen com a grup extern els han de la Xina inclosos en el 1000 Genomes Project. Així detecten polimorfismes mononucleotídics que es desvien fortament entre els bajau en termes de freqüència al·lèlica.

El polimorfisme rs7158863 és el que obté la puntuació més alta. Aquest poliformisme es troba en la regió 5′ del gen BDKRB2. Aquest gen codifica per al receptor 2 de la bradicina. La bradicina és un nonapèptid que indueix entre altres respostes vasodilatació. El gen BDKRB2 es troba implicat en la resposta a la immersió, a través de l’augment de la vasoconstricció perifèrica.

Un altre polimorfisme de la llista és el rs182631728, associat al gen FAM178B. Aquest gen codifica una proteïna que forma un complex estable amb l’anhidrasa carbònica, enzim responsable de mantindre l’equilibri CO2/bicarbonat, important per evitar acumulacions de CO2 i la consegüent acidosi carbònica.

En la llista també apareix el rs16030, associat al gen CACNA1A. Aquest gen és implicat en la regulació de l’alliberament de glutamat, neurotramissor rellevant en la resposta del sistema nerviós central a condicions hiòxiques.

El polimorfisme rs308052, inclòs en la llista, s’associa al gen PDE10A. Aquest gen codifica una activitat fosfodiesterasa que degrada segons missatges com el cAMP i el cGMP. Participa, doncs, en la regulació de la contracció de la musculatura llisa, incloent-hi la musculatura llisa que envolta la melsa.

La melsa

Els orígens dels al·lels seleccionats positivament entre els bajau

La introgressió adaptativa és el fenomen pel qual la selecció natural pot afavorir una major freqüència d’al·lels procedents de poblacions humanes arcaiques en poblacions modernes. Ilardo et al. examinen aquest fenomen en la llista d’al·lels associats a una selecció natural específica entre els bajau. Per fer-ho, empren les dades genètiques dels ioruba, com a població moderna sense introgressions arcaiques. Com a poblacions arcaiques empren dades genòmiques d’individus neandertal i denisova d’Altai. D’aquesta manera, examinen introgressions entre els bajau, emprant alhora els saluan i els han com a referents.

Amb aquesta anàlisi hom troba una regió del cromosoma 2, que inclou el gen FAM178B, que destaca únicament entre els bajau i que podria haver tingut com a origen el genoma dels denisoves. El mateix es pot dir d’altres regions del cromosoma 2 (116902921) i del cromosoma 1 (62249296), que serien introgressions de genoma neandertalià i/o denisovà, però aquestes introgressions també es troben entre els han i els saluan.

Pel que fa als gens PDE10A i BDKRB2 no hi ha indicis d’una introgressió arcaica que expliqui la freqüència al·lèlica dels bajau.

La base genètica de la mida augmentada de la melsa entre els bajau

Ilardo et al. seleccionen els 25 polimorfismes més estretament associats amb els bajau per comprovar si s’associen amb la ida de la melsa. D’aquests 25 polimorfismes, únicament el rs3008052 mostra aquesta associació. Es tracta del polimorfisme contingut en el gen PDE10A. L’al·lel afavorit entre els bajau per a aquest gen s’associa amb un augment de la mida de la melsa. Aquest al·lel actua afectant l’expressió del gen PDE10 en la glàndula tiroide. Uns majors nivells de fosfodiesterasa en la glàndula tiroide limiten l’acció de l’AMPcíclic i estimulen l’alliberament d’hormona tiroide. Entre els efectes de l’hormona tiroide hi hauria el creixement de la melsa, encara que aquest efecte ha estat descrit en ratolins i no en humans..

A través del motor de cerca Global Biobank Engine Ilardo et al. examinen els polimorfisme mononucleotídics associats a la mida de la melsa entre els bajau amb dades de pacients britànics. En l’UK Biobank, els rs2983527, rs3008050 i rs3008049 s’associen amb l’hipotiroidisme. Els al·lels afavorits entre els bajau van en la direcció contrària.

El Human Functional Genomics Project (HFPG) inclou dades que relacionen polimorfisme mononucloetídics i nivells d’hormona T4 i de TSH. Modelitzant l’al·lel seleccionat en bajau del gen PDE10A, hom troba que duria a un augment de la concentració plasmàtica de T4 i la disminució dels nivells de TSH.

Història evolutiva dels al·lels seleccionats positivament en els bajau

En els Bajau un al·lel de rs3008049 assoleix una freqüència del 37,1%. Aquest mateix al·lel té una freqüència del 6,7% entre els saluan, i del 3,0% entre els han. Cal pensar, doncs, que es tracta d’un al·lel minoritari neutre que, entre els bajau, obtingué un avantatge selectiu.

Un al·lel de rs7158863 té una freqüència de 18,3% en els Bajau. La freqüència al·lèlica entre els saluan i els han seria inferior a l’1%.

A través de la modelització, Ilardo et al. descarten que aquestes i altres freqüències al·lèliques es deguin a la deriva gènica o a un error de mostreig. Cal doncs pensar en l’existència d’una coeficient de selecció, s, que hauria actuat durant un temps, t, fins a dur a un al·lel a la freqüència f. L’al·lel PDE10A podria haver estat promogut durant 15.400 anys amb un coeficient de 0,005. Per a l’al·lel BDKRB2, el coeficient selectiu hauria estat superior, de 0,01.

La coevolució de cultura i biologia en poblacions humanes

Ilardo et al., doncs, centren la seva atenció en el gen PDE10A. L’al·lel seleccionat entre els bajau per a aquest gen s’associa amb la funció tiroidea i la mida de la melsa. En el cas del gen FAM178B sembla haver-se produït una introgressió selectiva de material genètica de poblacions humanes arcaiques de l’Àsia Central. Tant en el cas del gen PDE10A com el del BDKRB2 seríem davant d’una selecció que aprofita la diversitat genètica neutra preexistent.

Un canvi cultural com és l’explotació de recursos submarins condueix, doncs, a unes adaptacions genètiques a través de la selecció natural, que condueixen a canvis fisiològics hereditaris.

Ilardo et al. també remarques la rellevància mèdica d’aquest estudi, en fornir una nova comprensió de la relació entre hipòxia, funció tiroidea, volum cel·lular i mida de la melsa.

Lligams:

Physiological and Genetic Adaptations to Diving in Sea Nomads. Melissa A. Ilardo, Ida Moltke, Thorfinn S. Korneliussen, Jade Cheng, Aaron J. Stern, Fernando Racimo, Peter de Barros Damgaard, Martin Sikora, Andaine Seguin-Orlando, Simon Rasmussen, Inge C. L. van den Munckhof, Rob ter Horst, Leo A. B. Joosten, Mihai G. Netea, Suhartini Salingkat, Rasmus Nielsen, Eske Willerslev. Cell 173: p.569-580.e15 (2018).

Publicat dins de 3. La Vida | Envia un comentari