Cianobacterias productoras de O2 sobrevivieron a los compuestos de hierro tóxicos para florecer y multiplicarse
Las cianobacterias, tal como existen hoy en día, fueron los primeros organismos en realizar la fotosíntesis y liberar oxígeno. Producido en océanos primigenios hace unos 2.500 millones de años, este oxígeno se acumuló en la atmósfera terrestre a una escala inmensa.
Un equipo de investigación dirigido por el geomicrobiólogo de la Universidad de Tubinga, profesor Andreas Kappler, ha utilizado experimentos de laboratorio para investigar cómo fue posible este proceso, dado que el hierro disuelto en el agua del océano inhibe fuertemente el crecimiento de las cianobacterias.
Los investigadores descubrieron que el silicato, también presente en el agua del océano, desempeñaba un papel fundamental, al igual que el ciclo diario de luz y oscuridad.
El oxígeno era un residuo problemático para las cianobacterias. A medida que se acumulaba, la evolución respondía, y hasta hoy, el oxígeno es indispensable para la mayoría de las formas de vida conocidas.
"Los océanos primitivos contenían mucho hierro disuelto, que reacciona con el oxígeno para formar radicales de oxígeno altamente reactivos. Estas especies reactivas de oxígeno, como se las llama, son tóxicas para las bacterias", explica Kappler.
Hasta ahora se suponía que los radicales de oxígeno inhibían fuertemente la liberación de oxígeno por parte de las cianobacterias y que el oxígeno libre solo ingresaba a la atmósfera varios millones de años después de la aparición de las cianobacterias.
"Sin embargo, esta suposición también plantea la cuestión de cómo las cianobacterias podrían sobrevivir en tales condiciones", afirma la primera autora del estudio, Carolin Dreher, estudiante de doctorado del grupo Kappler.
El papel del silicato
Para comprender mejor las condiciones de vida de las cianobacterias en los océanos primitivos, el equipo de investigación estudió en el laboratorio el crecimiento de la cianobacteria Synechococcus en diferentes concentraciones de hierro y sílice disueltos. La sílice es silicio disuelto, que también estaba presente en grandes cantidades en las aguas de los océanos primigenios.
"Lo sabemos gracias a los mayores depósitos de hierro del mundo en la actualidad, las formaciones de hierro bandeado que se encuentran en varios continentes. Allí, ambos elementos, hierro y silicio, se depositaron alternativamente en capas", afirma Kappler.
Imagen: Yacimientos de hierro bandeado en la colina de Gamohaan, cerca de Kuruman, Provincia del Cabo Norte, Sudáfrica. Crédito: Andreas Kappler
En el experimento, las altas concentraciones de hierro aumentaron la formación de compuestos reactivos de oxígeno e inhibieron el crecimiento de microorganismos.
"Sin embargo, cuando en los experimentos también se encontraron cantidades de silicato realistas para los océanos de aquella época, la formación de estos compuestos tóxicos disminuyó significativamente", según Dreher.
En estas condiciones, las cianobacterias pudieron crecer y seguir produciendo oxígeno. "Las altas concentraciones de silicato actuaron aparentemente como un mecanismo químico de protección que redujo la formación de compuestos de oxígeno nocivos, lo que permitió el crecimiento de las cianobacterias a pesar de las altas concentraciones de hierro", explica.
Los efectos del cambio diurno entre luz y oscuridad
Además, los investigadores descubrieron que la alternancia de fases del día y la noche también desempeñaba un importante papel en el enriquecimiento de oxígeno.
"En investigaciones anteriores se había utilizado iluminación continua. Descubrimos que la formación de compuestos nocivos de oxígeno se redujo aún más en nuestros experimentos con un ciclo de luz diario", informa Dreher.
Los modelos computacionales de los investigadores basados en los datos experimentales mostraron que, en esas condiciones, en ese momento podrían haberse formado zonas ricas en oxígeno en las áreas cercanas a la superficie de los océanos.
Imagen: Frascos de laboratorio después de 31 días de análisis: Ambos frascos contienen la misma cantidad de hierro. A la izquierda, el frasco con silicato muestra un denso crecimiento de cianobacterias verdes que cubren los minerales de hierro naranjas. A la derecha, el frasco sin silicato muestra una precipitación naranja de minerales de hierro y un crecimiento menos denso de cianobacterias verdes. Crédito: Carolin Dreher
"Nuestros hallazgos sugieren que las condiciones químicas de los océanos ricos en hierro de la Tierra primitiva fueron un obstáculo menor de lo que se creía para la propagación de las cianobacterias", afirma Kappler. "Esto podría haber sido decisivo para que estos microorganismos produjeran suficiente oxígeno a largo plazo como para provocar un cambio duradero en la composición de la atmósfera terrestre".
La profesora Karla Pollmann, presidenta de la Universidad de Tubinga, afirma: "Este estudio proporciona nuevos y fascinantes conocimientos sobre la evolución a largo plazo de la atmósfera terrestre y demuestra que deben tenerse en cuenta muchos factores".
El estudio se ha publicado en la revista Nature Communications: Survival of cyanobacteria and mitigation of Fe(II) toxicity effects in a silica-rich Archean ocean
