Los primeros productores de oxígeno del planeta fueron las cianobacterias
El oxígeno es una presencia vital y constante en la Tierra hoy en día. Pero no siempre ha sido así.
No fue hasta hace unos 2.300 millones de años que el oxígeno se convirtió en un elemento permanente de la atmósfera, durante un período crucial conocido como el Gran Evento de Oxidación (GOE), que marcó el rumbo evolutivo de la vida que respira oxígeno tal como la conocemos hoy.
Un nuevo estudio realizado por investigadores del MIT sugiere que algunas primitivas formas de vida podrían haber desarrollado la capacidad de utilizar oxígeno cientos de millones de años antes del GOE. Estos hallazgos podrían representar una de las primeras evidencias de respiración aeróbica en la Tierra.
En su estudio geobiólogos del MIT rastrearon el origen evolutivo de una enzima clave que permite a los organismos utilizar el oxígeno. Esta enzima se encuentra en la gran mayoría de las formas de vida aeróbicas que respiran oxígeno en la actualidad. El equipo descubrió que esta enzima evolucionó durante el Mesoarcaico, un período geológico anterior a la Gran Oxidación en cientos de millones de años.
Los resultados del equipo podrían ayudar a explicar un viejo misterio en la historia de la Tierra: ¿Por qué tardó tanto en acumularse el oxígeno en la atmósfera?
Los primeros productores de oxígeno del planeta fueron las cianobacterias, microbios que desarrollaron la capacidad de utilizar la luz solar y el agua para realizar la fotosíntesis, liberando oxígeno como subproducto. Los científicos han determinado que las cianobacterias surgieron hace unos 2.900 millones de años. Por lo tanto, se presume que los microbios produjeron oxígeno durante cientos de millones de años antes de la Gran Oxidación. Entonces, ¿Adónde fue a parar todo el oxígeno inicial de las cianobacterias?
Los científicos sospechan que las rocas pudieron absorber gran parte del oxígeno en sus inicios, mediante diversas reacciones geoquímicas. El nuevo estudio del equipo del MIT sugiere que también pudo haber influido la biología.
Los investigadores descubrieron que algunos organismos podrían haber desarrollado la enzima para usar oxígeno cientos de millones de años antes del Gran Evento de Oxidación. Esta enzima podría haber permitido a los organismos que vivían cerca de las cianobacterias absorber cualquier pequeña cantidad de oxígeno que producían los microbios, retrasando así la acumulación de oxígeno en la atmósfera durante cientos de millones de años.
"Esto cambia drásticamente la historia de la respiración aeróbica", afirma Fatima Husain, coautora del estudio y posdoctora del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT. "Nuestro estudio refuerza esta teoría, recientemente descubierta, de que la vida podría haber utilizado oxígeno mucho antes de lo que se creía. Nos muestra la increíble innovación de la vida en todos los períodos de la historia de la Tierra".
Otros coautores del estudio incluyen a Gregory Fournier, profesor asociado de geobiología en el MIT, junto con Haitao Shang y Stilianos Louca de la Universidad de Oregon.
Primeros respiradores
El nuevo estudio se suma a una larga línea de trabajo en el MIT que busca reconstruir la historia del oxígeno en la Tierra. Este conjunto de investigaciones ha ayudado a determinar la época del Gran Evento de Oxidación, así como la primera evidencia de cianobacterias productoras de oxígeno.
La conclusión general es que el oxígeno fue producido por primera vez por las cianobacterias hace unos 2.900 millones de años, mientras que el Gran Evento de Oxidación —cuando el oxígeno finalmente se acumuló lo suficiente como para persistir en la atmósfera— tuvo lugar mucho más tarde, hace unos 2.330 millones de años.
Para Husain y sus colegas, este aparente retraso entre la primera producción de oxígeno y su persistencia final suscitó una pregunta. "Sabemos que los microorganismos que producen oxígeno existían mucho antes del Gran Evento de Oxidación", afirma Husain. "Por lo tanto, era natural preguntarse: ¿Existía alguna forma de vida en esa época que pudiera haber sido capaz de utilizar ese oxígeno para la respiración aeróbica?".
Si de hecho hubiera algunas formas de vida que usaran oxígeno, incluso en pequeñas cantidades, podrían haber desempeñado un papel en evitar que el oxígeno se acumulara en la atmósfera, al menos por un tiempo.
Para investigar esta posibilidad, el equipo del MIT se centró en las hemo-cobre-oxigenasas, un conjunto de enzimas esenciales para la respiración aeróbica. Estas enzimas reducen el oxígeno a agua y se encuentran en la mayoría de los organismos aeróbicos que respiran oxígeno hoy en día, desde las bacterias hasta los humanos.
"Nos centramos en el núcleo de esta enzima para nuestros análisis porque es ahí donde realmente tiene lugar la reacción con el oxígeno", explica Husain.
Fechas de los árboles
El equipo se propuso rastrear la evolución de la enzima en el pasado para determinar cuándo surgió por primera vez y permitir que los organismos utilizaran oxígeno. Primero identificaron su secuencia genética y luego utilizaron una herramienta de búsqueda automatizada para buscarla en bases de datos que contienen los genomas de millones de especies diferentes de organismos.
"Lo más difícil de este trabajo fue que teníamos demasiados datos", dice Fournier. "Esta enzima está en todas partes y presente en la mayoría de los organismos vivos modernos. Así que tuvimos que muestrear y filtrar los datos hasta obtener un conjunto representativo de la diversidad de la vida moderna y, además, lo suficientemente pequeño como para realizar cálculos, lo cual no es trivial".
El equipo finalmente aisló la secuencia de la enzima de varios miles de especies modernas y mapeó estas secuencias en un árbol evolutivo de la vida, basándose en lo que los científicos saben sobre cuándo es probable que haya evolucionado y se haya ramificado cada especie. Posteriormente, analizaron este árbol en busca de especies específicas que pudieran ofrecer información relacionada con sus orígenes.
Si, por ejemplo, en el árbol existe un registro fósil de un organismo en particular, dicho registro incluiría una estimación de cuándo apareció dicho organismo en la Tierra. El equipo usaría la edad de ese fósil para determinar la fecha de ese organismo en el árbol. De forma similar, podrían colocar alfileres a lo largo del árbol para precisar sus estimaciones de cuándo, en el tiempo, evolucionó la enzima de una especie a la siguiente.
Finalmente, los investigadores lograron rastrear la enzima hasta el Mesoarcaico, una era geológica que duró entre 3.200 y 2.800 millones de años. El equipo sospecha que fue en esta época cuando surgió la enzima y la capacidad de los organismos para utilizar el oxígeno. Este período precede al Gran Evento de Oxidación en varios cientos de millones de años.
Los nuevos hallazgos sugieren que, poco después de que las cianobacterias desarrollaran la capacidad de producir oxígeno, otros seres vivos desarrollaron la enzima para utilizarlo. Cualquier organismo de este tipo que viviera cerca de las cianobacterias habría podido absorber rápidamente el oxígeno que estas producían. Estos primeros organismos aeróbicos podrían haber contribuido a evitar que el oxígeno escapara a la atmósfera, retrasando su acumulación durante cientos de millones de años.
"En conjunto, la investigación del MIT ha llenado las lagunas en nuestro conocimiento sobre cómo se produjo la oxigenación de la Tierra", afirma Husain. "Las piezas del rompecabezas están encajando y realmente subrayan cómo pudo diversificarse la vida y vivir en este nuevo mundo oxigenado".
El estudio se ha publicado en la revista Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology: Molecular clock evidence for an Archean diversification of heme-copper oxygen reductase enzymes
