La capacidad de usar oxígeno evolucionó mucho antes de su acumulación generalizada en la atmósfera
Los organismos microbianos dominan la vida en la Tierra, pero es difícil rastrear su historia temprana y evolución porque rara vez se fosilizan. Determinar cuándo exactamente apareció por primera vez un grupo particular de microbios es especialmente difícil. Sin embargo, los sedimentos y rocas antiguos contienen pistas químicas de nutrientes disponibles que podrían favorecer el crecimiento de bacterias.
Un punto de inflexión clave se produjo cuando el oxígeno se acumuló en la atmósfera hace unos 2.300 millones de años. Los científicos han utilizado este aumento repentino de oxígeno y la adaptación de los microbios a él para cartografiar la evolución bacteriana.
En un nuevo estudio investigadores de la Unidad de Genómica Evolutiva Basada en Modelos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) y sus colaboradores internacionales han construido una detallada cronología de la evolución bacteriana y la adaptación al oxígeno.
Sus hallazgos sugieren que algunas bacterias podrían utilizar oxígeno traza mucho antes de desarrollar la capacidad de producirlo a través de la fotosíntesis.
Los investigadores se centraron en cómo respondieron los microorganismos al Gran Evento de Oxigenación (GOE) hace unos 2.300 millones de años. Este acontecimiento, desencadenado en gran parte por el desarrollo de la fotosíntesis oxigenada (generadora de oxígeno) en las cianobacterias y la deposición de carbono, cambió fundamentalmente la atmósfera de la Tierra, de una prácticamente carente de oxígeno a una en la que el oxígeno se volvió relativamente abundante, como lo es hoy.
Hasta ahora, establecer escalas de tiempo precisas para la evolución de las bacterias antes, durante y después de esta transición crucial ha sido difícil debido a la incompleta evidencia fósil y al desafío de determinar las edades máximas posibles de los grupos microbianos, dado que el único límite máximo confiable para la gran mayoría de los linajes es el impacto que formó la luna hace 4.500 millones de años, que probablemente esterilizó el planeta.
Los investigadores abordaron estas lagunas analizando simultáneamente registros geológicos y genómicos. Su innovación clave fue utilizar el propio GOE como límite temporal, asumiendo que es poco probable que la mayoría de las ramas aeróbicas (que utilizan oxígeno) de las bacterias sean más antiguas que este evento, a menos que señales fósiles o genéticas sugieran fuertemente un origen anterior. Utilizando estadísticas bayesianas, crearon un modelo que puede anular esta suposición cuando los datos la respaldan.
Imagen: Evolución bacteriana y adaptación al oxígeno: Una cronología construida a partir de datos genómicos, fósiles y químicos. Los colores muestran los estados del oxígeno: anaeróbico (azul), aeróbico (rojo) y la proporción de linajes aeróbicos en los filos bacterianos modernos (tonos morados). El análisis incluye mitocondrias y plástidos para aprovechar los datos fósiles de eucariotas. Se muestran plantas y animales terrestres como referencia temporal. Crédito: Davín et al., 2025
Este enfoque, sin embargo, requiere predecir qué linajes eran aeróbicos en el pasado remoto. El equipo empleó métodos probabilísticos para inferir qué genes contenían los genomas antiguos y, posteriormente, aprendizaje automático para predecir si utilizaban oxígeno.
Para utilizar mejor el registro fósil, aprovecharon los fósiles de eucariotas, cuyas mitocondrias evolucionaron a partir de Alphaproteobacteria, y los cloroplastos evolucionaron a partir de cianobacterias, para estimar mejor cómo y cuándo evolucionaron las bacterias aeróbicas.
Sus resultados indican que al menos tres linajes tenían estilos de vida aeróbicos antes del GOE (el más antiguo casi 900 millones de años antes), lo que sugiere que la capacidad de usar oxígeno evolucionó mucho antes de su acumulación generalizada en la atmósfera.
Curiosamente, estos hallazgos apuntan a la posibilidad de que el metabolismo aeróbico pudiera haber ocurrido mucho antes de la evolución de la fotosíntesis oxigenada.
La evidencia sugiere que la transición aeróbica más temprana ocurrió en un ancestro de las cianobacterias fotosintéticas, lo que indica que la capacidad de utilizar trazas de oxígeno puede haber permitido el desarrollo de genes centrales para la fotosíntesis oxigenada.
El estudio estima que el último ancestro común de todas las bacterias modernas vivió en algún momento entre 4.400 y 3.900 millones de años atrás, en la era Hádica o Arcaica temprana. Los ancestros de los principales filos bacterianos se ubican en las eras Arcaica y Proterozoica (hace 2.500 a 1.800 millones de años), mientras que muchas familias datan de hace 0.600 a 0.750 millones de años, superponiéndose con la era en la que se originaron las plantas terrestres y los filos animales.
En particular, una vez que los niveles de oxígeno atmosférico aumentaron durante el GOE, los linajes aeróbicos se diversificaron más rápidamente que sus contrapartes anaeróbicas, lo que indica que la disponibilidad de oxígeno jugó un papel sustancial en la configuración de la evolución bacteriana.
"Este enfoque combinado, que utiliza datos genómicos, fósiles y la historia geoquímica de la Tierra, aporta nueva claridad a las cronologías evolutivas, especialmente para los grupos microbianos que no tienen registro fósil", destacó el profesor Gergely Szöllősi, líder de la Unidad de Genómica Evolutiva Basada en Modelos.
"Nuestro trabajo también demuestra que modelar los rasgos microbianos a partir de sus genomas mediante aprendizaje automático es eficaz para estudiar la propagación del metabolismo aeróbico y podría ser un enfoque útil para explorar cómo surgieron otros rasgos e interactuaron con el cambiante entorno del planeta a lo largo del tiempo geológico", explicó el Dr. Tom Williams, investigador de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad de Bristol.
El estudio se ha publicado en Science: A geological timescale for bacterial evolution and oxygen adaptation
