Microbios convirtieron un compuesto tóxico en una fuente de energía
La Tierra no siempre fue el mundo azul verdoso que conocemos hoy: los niveles de oxígeno en la Tierra primitiva eran aproximadamente un millón de veces inferiores a los que experimentamos hoy. No había bosques ni animales. Para los antiguos organismos, el oxígeno era tóxico. ¿Cómo era la vida en aquella época?
Un reciente estudio dirigido por Fatima Li-Hau (estudiante de posgrado en ELSI en el momento de la investigación) junto con el supervisor, el profesor asociado Shawn McGlynn del Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida (ELSI) (en el momento de la investigación) en el Instituto de Ciencias de Tokio, Japón, explora esta cuestión examinando fuentes termales ricas en hierro que imitan la química de los antiguos océanos de la Tierra en la época de uno de los cambios más dramáticos de la Tierra: la oxigenación de la atmósfera.
Sus hallazgos sugieren que las primeras comunidades microbianas utilizaban hierro, junto con el oxígeno liberado por los microbios fotosintéticos, para obtener energía, lo que revela un ecosistema de transición donde la vida convirtió un producto de desecho de un organismo en una nueva fuente de energía antes de que la fotosíntesis se volviera dominante.
El Gran Evento de Oxigenación (GOE) ocurrió hace alrededor de 2.300 millones de años y marcó el surgimiento del oxígeno atmosférico, probablemente desencadenado por cianobacterias verdes que usaron la luz solar para dividir el agua y posteriormente convirtieron el dióxido de carbono en oxígeno a través de la fotosíntesis.
El resultado es que la actual atmósfera está compuesta por alrededor de un 78% de nitrógeno y un 21% de oxígeno, con sólo trazas de otros gases como el metano y el dióxido de carbono, que podrían haber desempeñado un papel más importante antes del surgimiento del oxígeno.
El GOE cambió fundamentalmente el curso de la vida en la Tierra. Esta alta cantidad de oxígeno nos permite a los animales respirar, pero también complica la vida de las antiguas formas de vida, que prácticamente desconocían la molécula de O₂. Comprender cómo se adaptaron estos antiguos microbios a la presencia de oxígeno sigue siendo una incógnita.
Imagen derecha: Imagen panorámica de una fuente termal desde su nacimiento hasta el océano. Crédito: Fátima Li-Hau, ELSI
Para responder a esta pregunta, el equipo estudió cinco fuentes termales en Japón, ricas en agua con una composición química variada. Estas cinco fuentes (una en Tokio, dos en las prefecturas de Akita y dos en Aomori) son naturalmente ricas en hierro ferroso (Fe₂+). Son poco comunes en el mundo actual, rico en oxígeno, porque el hierro ferroso reacciona rápidamente con el oxígeno y se transforma en hierro férrico insoluble (Fe₃+).
Pero en estos manantiales, el agua todavía contiene altos niveles de hierro ferroso, bajos niveles de oxígeno y un pH casi neutro, condiciones que se cree que se asemejan a partes de los océanos de la Tierra primitiva.
"Estas fuentes termales ricas en hierro proporcionan un laboratorio natural único para estudiar el metabolismo microbiano en condiciones similares a las de la Tierra primitiva durante la transición del Arcaico tardío al Proterozoico temprano, marcada por el Gran Evento de Oxidación. Nos ayudan a entender cómo pudieron haber estado estructurados los primitivos ecosistemas microbianos antes del surgimiento de las plantas, los animales o el oxígeno atmosférico significativo", dice Shawn McGlynn, quien supervisó a Li-Hau durante su trabajo de tesis.
Imagen derecha: Imagen panorámica de una de las cinco fuentes termales durante el invierno, que muestra el agua de la fuente y las burbujas de CO2. Crédito: Fátima Li-Hau, ELSI
En cuatro de las cinco fuentes termales, el equipo descubrió que las bacterias microaerófilas oxidantes de hierro eran los microbios predominantes. Estos organismos prosperan en condiciones de bajo oxígeno y utilizan el hierro ferroso como fuente de energía, convirtiéndolo en hierro férrico.
También se encontraron cianobacterias, conocidas por producir oxígeno mediante la fotosíntesis, pero en cantidades relativamente pequeñas. La única excepción fue una de las aguas termales de Akita, donde los metabolismos no basados en hierro fueron sorprendentemente predominantes.
Utilizando el análisis metagenómico, el equipo reunió más de 200 genomas microbianos de alta calidad y los utilizó para analizar en detalle las funciones de los microbios en la comunidad.
Los mismos microbios que acoplaron el metabolismo del hierro y el oxígeno convirtieron un compuesto tóxico en una fuente de energía y ayudaron a mantener las condiciones que permitieron que persistieran los anaerobios sensibles al oxígeno.
Estas comunidades llevaban a cabo procesos biológicos esenciales, como el ciclo del carbono y el nitrógeno, y los investigadores también hallaron evidencia de un ciclo parcial del azufre, identificando genes implicados en la oxidación del sulfuro y la asimilación del sulfato. Dado que las aguas termales contenían muy pocos compuestos de azufre, este fue un sorprendente descubrimiento.
Los investigadores proponen que esto podría indicar un ciclo de azufre "críptico", donde los microbios reciclan el azufre de formas complejas que aún no se comprenden completamente.
Imagen: Primer plano de los sedimentos y rocas de una de las cinco fuentes termales durante la marea baja, que muestra precipitados minerales de óxido de hierro. Crédito: Fátima Li-Hau, ELSI
"A pesar de las diferencias en la geoquímica y la composición microbiana entre los sitios, nuestros resultados muestran que, en presencia de hierro ferroso y limitado oxígeno, las comunidades de oxidantes de hierro microaerófilos, fotótrofos oxigenados y anaerobios coexisten consistentemente y mantienen ciclos biogeoquímicos notablemente similares y completos", dice Li-Hau.
La investigación sugiere un cambio en nuestra comprensión de los ecosistemas tempranos, mostrando que los microbios pueden haber aprovechado la energía de la oxidación del hierro y el oxígeno producido por los primeros fotótrofos.
El estudio propone que, de manera similar a estas fuentes termales, los primeros ecosistemas albergados en la Tierra estaban compuestos por diversos microbios, incluidas bacterias oxidantes de hierro, anaerobios y cianobacterias que vivían juntos y modulaban las concentraciones de oxígeno.
"Este artículo amplía nuestra comprensión de la función de los ecosistemas microbianos durante un período crucial de la historia de la Tierra: la transición de un océano anóxico y rico en hierro a una biosfera oxigenada al inicio del GOE. Al comprender los entornos análogos modernos, proporcionamos una visión detallada de los potenciales metabólicos y la composición de las comunidades relevantes para las condiciones de la Tierra primitiva", afirma Li-Hau.
En conjunto, estos conocimientos profundizan nuestra comprensión de la evolución temprana de la vida en la Tierra y tienen implicaciones para la búsqueda de vida en otros planetas con condiciones geoquímicas similares a las de la Tierra primitiva.
Los hallazgos ha sido publicados en la revista Microbes and Environments: Metabolic Potential and Microbial Diversity of Late Archean to Early Proterozoic Ocean Analog Hot Springs of Japan
