Ofrece nuevos conocimientos sobre la evolución de la Tierra
Varios momentos clave en la historia de la Tierra nos ayudan a los humanos a responder la pregunta "¿Cómo llegamos aquí?". Estos momentos también arrojan luz sobre la pregunta "¿Hacia dónde vamos?" y ofrecen a los científicos una comprensión más profunda de cómo se adaptan los organismos a los cambios físicos y químicos de su entorno.
Entre ellos se encuentra un prolongado evento evolutivo que tuvo lugar hace más de 2 mil millones de años, conocido como el Gran Evento de Oxidación (GOE). Este marcó la primera vez que el oxígeno producido por la fotosíntesis —esencial para la supervivencia de los humanos y muchas otras formas de vida— comenzó a acumularse en la atmósfera en cantidades significativas.
Si viajaras en el tiempo a un momento anterior al GOE (hace más de 2.400 millones de años), te encontrarías con un ambiente en gran medida anóxico (sin oxígeno). Los organismos que prosperaron en aquel entonces eran anaeróbicos, lo que significa que no necesitaban oxígeno y dependían de procesos como la fermentación para generar energía. Algunos de estos organismos aún existen hoy en día en ambientes extremos, como fuentes termales ácidas y fuentes hidrotermales.
El GOE desencadenó una de las transformaciones químicas más profundas en la historia de la superficie terrestre. Marcó la transición de un planeta prácticamente carente de oxígeno atmosférico —e inhóspito para la vida compleja— a uno con una atmósfera oxigenada que sustenta la biosfera que hoy conocemos.
Los científicos han estado interesados desde hace mucho tiempo en determinar el momento y las causas de los grandes cambios en el oxígeno atmosférico porque son fundamentales para entender cómo surgió la vida compleja, incluidos los humanos.
Si bien nuestra comprensión de este crítico período aún está tomando forma, un equipo de investigadores de la Universidad de Syracuse y el MIT está excavando profundamente, literalmente, en núcleos de rocas antiguas del subsuelo de Sudáfrica para desenterrar pistas sobre el momento del GOE. Su trabajo proporciona una nueva perspectiva sobre el ritmo de la evolución biológica en respuesta al aumento de los niveles de oxígeno y el largo y complejo viaje hacia el surgimiento de los eucariotas (organismos cuyas células contienen un núcleo encerrado dentro de una membrana).
El estudio fue dirigido por Benjamin Uveges, Ph.D., quien completó el proyecto como asociado postdoctoral en el MIT y colaboró con el profesor de ciencias de la Tierra de la Universidad de Syracuse, Christopher Junium, en los análisis químicos.
Imagen derecha: Rocas sedimentarias de Sudáfrica, muestreadas por el equipo para este estudio. Crédito: Benjamin Uveges
Respuestas incrustadas en la roca
Para retroceder en el tiempo, el equipo de investigación analizó núcleos de roca sedimentaria recolectados en varios sitios de Sudáfrica. Estos lugares fueron cuidadosamente seleccionados porque sus rocas, que datan de entre 2.200 y 2.500 millones de años, se encuentran dentro del rango de edad ideal para preservar evidencia del GOE. Al analizar las proporciones isotópicas estables incrustadas en estas rocas, el equipo descubrió evidencia de procesos oceánicos que requerían la presencia de nitrato, un indicador de condiciones más ricas en oxígeno.
Para analizar los antiguos sedimentos, Uveges colaboró con Junium, profesor asociado de Ciencias de la Tierra y Ambientales de la Universidad de Syracuse. Junium se especializa en el estudio de la evolución de los entornos del pasado para comprender mejor el futuro cambio global. Sus instrumentos de última generación fueron esenciales para obtener lecturas precisas de los niveles de nitrógeno traza.
"Las rocas que analizamos para este estudio tenían concentraciones de nitrógeno muy bajas, demasiado bajas para medirlas con la instrumentación tradicional utilizada para este trabajo", dice Uveges. "Chris ha construido uno de los pocos instrumentos en el mundo que puede medir las proporciones de isótopos de nitrógeno en muestras con entre 100 y 1.000 veces menos nitrógeno que el mínimo típico".
Imagen: Al investigar antiguos registros rocosos, los científicos han descubierto nuevas pistas que agudizan la cronología de la oxigenación de la Tierra, arrojando nueva luz sobre uno de los capítulos más transformadores de la historia evolutiva de nuestro planeta. Crédito: Benjamin Uveges
En el laboratorio de Junium, el equipo analizó las proporciones isotópicas de nitrógeno de muestras de rocas sudafricanas mediante un espectrómetro de masas de proporción isotópica (IRMS). Las muestras se trituraron primero hasta convertirlas en polvo, se trataron químicamente para extraer componentes específicos y, finalmente, se convirtieron en gas.
Este gas se ionizó (se convirtió en partículas cargadas) y se aceleró mediante un campo magnético, que separó los isótopos según su masa. El IRMS midió entonces la relación de ¹⁵N a ¹⁴N, lo que puede revelar cómo se procesaba el nitrógeno en el pasado.
Un componente esencial del Espectrómetro de Masas de Relación Isotópica es el módulo de crioatrapamiento/enfoque capilar. Este equipo, crucial para los análisis de isótopos de nitrógeno presentados en el artículo, se encuentra en el laboratorio de Junium en la Universidad de Syracuse.
Imagen derecha: Un componente esencial del Espectrómetro de Masas de Relación Isotópica es el módulo de crioatrapamiento/enfoque capilar. Este equipo, fundamental para los análisis de isótopos de nitrógeno presentados en el artículo, se encuentra en el laboratorio de Junium en la Universidad de Syracuse. Crédito: Christopher Junium, Universidad de Syracuse
Entonces, ¿Cómo revela este proceso los niveles de oxígeno en el pasado? Los microbios (abreviatura de microorganismos) influyen en la composición química de los sedimentos antes de que se conviertan en roca, dejando rastros isotópicos de cómo se procesaba y utilizaba el nitrógeno. El seguimiento de los cambios de ¹⁵N a ¹⁴N a lo largo del tiempo ayuda a los científicos a comprender cómo evolucionó el medio ambiente terrestre, en particular los niveles de oxígeno.
Reescribiendo la cronología del oxígeno
Según Uveges, el hallazgo más sorprendente es un cambio en la cronología del ciclo aeróbico del nitrógeno en el océano. La evidencia sugiere que el ciclo del nitrógeno se volvió sensible al oxígeno disuelto aproximadamente 100 millones de años antes de lo que se creía, lo que indica un significativo retraso entre la acumulación de oxígeno en el océano y su acumulación en la atmósfera.
Junium señala que estos resultados marcan un punto de inflexión crítico en el ciclo del nitrógeno, cuando los organismos tuvieron que actualizar su maquinaria bioquímica para procesar el nitrógeno en una forma más oxidada que les resultaba más difícil de absorber y utilizar.
"Todo esto encaja con la idea emergente de que el GOE fue una prueba prolongada en la que los organismos tuvieron que encontrar el equilibrio entre aprovechar las ganancias energéticas de la fotosíntesis oxigenada y las adaptaciones graduales para manejar su subproducto, el oxígeno", dice Junium.
A medida que el oxígeno producido a través de la fotosíntesis comenzó a acumularse en la atmósfera, este aumento de oxígeno llevó a la extinción de muchos organismos anaeróbicos y preparó el escenario para la evolución de la respiración aeróbica, un proceso que utiliza oxígeno para descomponer la glucosa y proporciona la energía necesaria para funciones como el movimiento muscular, la actividad cerebral y el mantenimiento celular en humanos y otros animales.
Imagen: Línea de tiempo de la vida
"Durante los primeros dos mil millones de años de la historia de la Tierra, había extremadamente poco oxígeno libre en los océanos y la atmósfera", afirma Uveges. "En cambio, hoy en día, el oxígeno constituye una quinta parte de nuestra atmósfera y, esencialmente, toda la vida multicelular compleja tal como la conocemos depende de él para respirar. Por lo tanto, en cierto modo, estudiar el auge del oxígeno y sus impactos químicos, geológicos y biológicos es, en realidad, estudiar cómo el planeta y la vida coevolucionaron para llegar a la situación actual".
Sus hallazgos redefinen nuestra comprensión de cuándo los ambientes superficiales de la Tierra se volvieron ricos en oxígeno tras la evolución de la fotosíntesis productora de oxígeno. La investigación también identifica un hito biogeoquímico clave que puede ayudar a los científicos a modelar cómo evolucionaron las diferentes formas de vida antes y después del GOE.
"Espero que nuestros hallazgos inspiren más investigaciones sobre este fascinante período", afirma Uveges. "Al aplicar nuevas técnicas geoquímicas a los núcleos de roca que estudiamos, podemos obtener una imagen aún más detallada del GOE y su impacto en la vida terrestre".
El estudio se ha publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences: Aerobic nitrogen cycle 100 My before permanent atmospheric oxygenation
