El primer organismo en utilizar oxígeno puede haber aparecido sorprendentemente temprano

aparición del oxígeno en la Tierra

¿Qué tan 'grandioso' fue el Gran Evento de Oxidación?

Los primeros organismos que "respiraron" oxígeno, o al menos lo usaron, aparecieron hace 3.100 millones de años, según un nuevo análisis genético de docenas de familias de microbios. El hallazgo es sorprendente porque el Gran Evento de Oxidación, que llenó la atmósfera de la Tierra con el precioso gas, no ocurrió hasta unos 500 millones de años después.

"Quedé muy emocionado de ver este artículo”, dice Patrick Shih, biólogo evolutivo de la Universidad de California (UC), Davis. El advenimiento de proteínas que pueden usar oxígeno, dicen Shih y otros, marca un paso clave en la aparición de microbios aeróbicos, que son aquellos capaces de aprovechar el oxígeno.

árbol genealógico de enzimas

Imagen: Un "árbol genealógico" de enzimas revelado cuando los organismos comenzaron a usar oxígeno por primera vez

"La transición de un mundo que era principalmente anaeróbico a uno que era principalmente aeróbico fue una de las principales innovaciones en la vida", dice Tim Lyons, biogeoquímico de la UC Riverside.

Los científicos están de acuerdo en general en que la atmósfera y los océanos primitivos de la Tierra estaban prácticamente desprovistos de gas oxígeno. Pero hay indicios de que había algo de oxígeno alrededor. Los geoquímicos, por ejemplo, han encontrado depósitos de minerales que datan de hace unos 3.000 millones de años y, según ellos, solo podrían haberse formado en presencia de oxígeno. Y alguna evidencia sugiere que las cianobacterias, los primeros organismos fotosintéticos que liberaron gas oxígeno como producto de desecho, aunque no lo usaran, pueden haber surgido hace 3.500 millones de años.

Sin embargo, los críticos han respondido que si los productores y usuarios de oxígeno aparecieran tan temprano, se habrían extendido rápidamente por todo el mundo. Eso es porque el uso de oxígeno permite a los organismos aprovechar más energía de sus alimentos. Pero el Gran Evento de Oxidación no ocurrió hasta hace 2.400 millones de años.

depósitos de hierro

Imagen: Los depósitos de hierro en bandas como estos contienen pistas sobre el Gran Evento de Oxigenación.

En el nuevo estudio, Dan Tawfik, químico biológico del Instituto de Ciencias Weizmann y su Ph.D. el estudiante Jagoda Jabłońska, decidió abordar el problema desde una dirección diferente. Analizaron los genomas de 130 familias de procariotas, los descendientes vivos de los que se consideran los primeros microbios, bacterias y arqueas de la Tierra.

Tawfik y Jabłońska crearon un árbol genealógico evolutivo utilizando los genes de unas 700 enzimas que utilizan o generan oxígeno. Luego, recurrieron a un enfoque de uso prolongado que rastrea la probable tasa de mutación de las proteínas para construir un "reloj molecular". El reloj les permitió precisar cuándo probablemente evolucionaron cada una de estas enzimas. De las 130 familias de organismos que estudiaron, Jabłońska y Tawfik pudieron fechar 36 con mucha confianza.

"Vimos algo bastante sorprendente", dice Tawfik: un "claro estallido" de microbios que usaban oxígeno hace entre 3.000 y 3.100 millones de años. Veintidós de las 36 familias parecen haber surgido en ese momento, mientras que 12 llegaron más tarde, y solo dos parecieron venir antes.

En general, el análisis sugiere que hace unos 3.100 millones de años surgió un organismo al que llamaron el último antepasado universal del oxígeno, dice Tawfik. Ese antepasado, a su vez, dio lugar a aerobios que pudieron aprovechar la mayor producción de energía que permitía el uso de oxígeno. Eventualmente, esto condujo a organismos multicelulares, animales y a nosotros.

Línea de tiempo de la vida

Imagen: Línea de tiempo de la vida.

Si esa transición ocurrió hace unos 3.000 millones de años, sugiere que los organismos que utilizan oxígeno no se extendieron inmediatamente por todo el planeta. Más bien, la capacidad de utilizar oxígeno probablemente se desarrolló en pequeñas bolsas que se extendieron lentamente a lo largo de cientos de millones de años. Y solo cuando se volvieron lo suficientemente abundantes, estos organismos modificaron el entorno de la Tierra lo suficiente como para producir suficiente oxígeno para conducir al Gran Evento de Oxidación. "Me siento como un arqueólogo que está abriendo una tumba por primera vez", dice Tawfik.

Aun así, Shih y otros advierten que la datación por reloj molecular sigue siendo una ciencia en evolución y, por lo tanto, la datación del equipo podría estar equivocada. "El orden de los eventos es casi seguro robusto", dice Roger Buick, astrobiólogo de la Universidad de Washington, Seattle. "Pero el momento de los eventos puede no serlo".

El equipo informa sus hallazgos en Nature Ecology & Evolution: The evolution of oxygen-utilizing enzymes suggests early biosphere oxygenation

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