Usan la IA para rastrear la evolución de las bacterias en la Tierra
Hay aproximadamente un billón de especies de microorganismos en la Tierra, la gran mayoría de los cuales son bacterias.
Las bacterias están compuestas por una sola célula. Carecen de huesos y no son como los grandes animales que dejan huellas claras en el registro geológico, que los paleontólogos, agradecidos, pueden estudiar muchos millones de años después.
Esto ha dificultado mucho a los científicos establecer una cronología de su evolución temprana. Sin embargo, con la ayuda del aprendizaje automático, han podido descifrar muchos detalles. Una nueva investigación también revela que algunas bacterias desarrollaron la capacidad de utilizar oxígeno mucho antes de que la Tierra se saturara con él hace aproximadamente 2400 millones de años.
Un acontecimiento monumental en la historia de la Tierra
Hace unos 4.500 millones de años, la Luna se formó violentamente. Un objeto del tamaño de Marte colisionó con la Tierra, convirtiendo su superficie en roca fundida. Si existía vida antes de este cataclismo, probablemente fue destruida.
Después de eso, aparecieron los actuales ancestros de todos los seres vivos: los microbios unicelulares. Durante el primer 80% de la historia de la vida, la Tierra estuvo habitada únicamente por estos microbios.
Nada en biología tiene sentido excepto a la luz de la evolución, como dijo famosamente el biólogo evolucionista Theodosius Dobzhansky en 1973. Pero ¿Cómo se desarrolló la evolución de la vida a lo largo de la historia temprana de la Tierra?
Comparar las secuencias de ADN de la maravillosa diversidad de vida que observamos hoy puede revelarnos cómo se relacionan los diferentes grupos. Por ejemplo, los humanos estamos más estrechamente relacionados con los hongos que con los manzanos. Asimismo, estas comparaciones pueden indicarnos cómo se relacionan entre sí los diferentes grupos de bacterias.
Pero la comparación de secuencias de ADN tiene sus límites. Las comparaciones de ADN no indican en qué momento de la historia de la Tierra se produjeron los eventos evolutivos. En un momento dado, un organismo reprodujo dos descendientes. Uno de ellos dio origen a los hongos, el otro a los humanos (y también a muchas otras especies). Pero ¿Cuándo vivió exactamente ese organismo? ¿Hace cuántos años?
La geología nos enseña que, hace 2.400 millones de años, ocurrió otro evento monumental en la historia de la Tierra. En ese momento, la atmósfera terrestre cambió drásticamente. Un grupo de bacterias llamadas cianobacterias inventó un truco que alteraría la historia de la vida para siempre: la fotosíntesis.
La energía solar alimentaba sus células. Pero también generaba un desecho inconveniente: el gas oxígeno.
A lo largo de millones de años, el oxígeno se acumuló lentamente en la atmósfera. Antes de este "Gran Evento de Oxidación", la Tierra casi no contenía oxígeno, por lo que la vida no estaba preparada para ello. De hecho, para las bacterias no iniciadas, el oxígeno es un gas venenoso, por lo que su liberación a la atmósfera probablemente causó una extinción masiva. Las bacterias supervivientes evolucionaron para usar oxígeno o se retiraron a los rincones más recónditos del planeta, donde este no puede penetrar.
El árbol de la vida bacteriana
"El Gran Evento de Oxidación nos resulta especialmente interesante no solo por su impacto en la historia de la vida, sino también porque permite datarlo con precisión. Sabemos que ocurrió hace unos 2.400 millones de años, y también sabemos que la mayoría de las bacterias que se adaptaron al oxígeno tuvieron que sobrevivir a este evento. Usamos esta información para añadir fechas al árbol de la vida bacteriana", dice Ben Woodcroft, profesor asociado de Informática Microbiana en la Universidad Tecnológica de Queensland.
"Comenzamos entrenando un modelo de inteligencia artificial (IA) para predecir si una bacteria vive con oxígeno o no a partir de los genes que tiene. Muchas bacterias que vemos hoy en día utilizan oxígeno, como las cianobacterias y otras que viven en el océano. Pero muchas no lo hacen, como las bacterias que viven en nuestro intestino".
Imagen derecha: Hay aproximadamente un billón de especies de microorganismos en la Tierra, la gran mayoría de los cuales son bacterias. GSFC/NASA
En cuanto a las tareas de aprendizaje automático, esta fue bastante sencilla para los investigadores. El poder químico del oxígeno modifica notablemente el genoma de una bacteria porque el metabolismo celular se organiza en torno al uso del oxígeno, por lo que existen numerosas pistas en los datos.
Luego aplicaron sus modelos de aprendizaje automático para predecir qué bacterias utilizaban oxígeno en el pasado. Esto fue posible gracias a las técnicas modernas que nos permiten estimar no solo el parentesco entre las especies que observamos hoy, sino también qué genes portaba cada ancestro en su genoma.
Un giro sorprendente
Al utilizar eficazmente el evento geológico planetario del Gran Evento de Oxidación como un punto de calibración "fósil", el enfoque produjo una detallada cronología de la evolución bacteriana.
Combinando resultados de geología, paleontología, filogenética y aprendizaje automático, los investigadores pudieron refinar significativamente el tiempo de la evolución bacteriana.
Sus resultados también revelaron un giro sorprendente: algunos linajes bacterianos capaces de utilizar oxígeno existieron aproximadamente 900 millones de años antes del Gran Evento de Oxidación. Esto sugiere que estas bacterias desarrollaron la capacidad de utilizar oxígeno incluso cuando era escaso el oxígeno atmosférico.
Sorprendentemente, los hallazgos indicaron que las cianobacterias desarrollaron la capacidad de utilizar oxígeno antes de desarrollar la fotosíntesis.
Este marco de trabajo no sólo redefine nuestra comprensión de la historia evolutiva bacteriana, sino que también ilustra cómo evolucionaron las capacidades de la vida en respuesta a los entornos cambiantes de la Tierra.
La investigación se ha publicada en Science: A geological timescale for bacterial evolution and oxygen adaptation
