Los microbios, los minerales y la oxigenación de la antigua Tierra

Durante los primeros 2 mil millones de años de la historia de la Tierra, apenas había oxígeno en el aire. Si bien algunos microbios realizaban la fotosíntesis en la última parte de este período, el oxígeno aún no se había acumulado a niveles que afectarían a la biosfera global.

Pero hace unos 2.300 millones de años, este equilibrio estable y bajo en oxígeno cambió, y el oxígeno comenzó a acumularse en la atmósfera, alcanzando finalmente los niveles necesarios para la vida que respiramos hoy. Esta infusión rápida se conoce como el Gran Evento de Oxigenación (GOE por sus siglas en inglés). Lo que desencadenó el evento y sacó al planeta de su bajo nivel de oxígeno es uno de los grandes misterios de la ciencia.

Nuevas ideas

Una nueva hipótesis, propuesta por científicos del MIT, sugiere que el oxígeno finalmente comenzó a acumularse en la atmósfera gracias a las interacciones entre ciertos microbios marinos y minerales en los sedimentos oceánicos. Estas interacciones ayudaron a evitar que se consumiera el oxígeno, desencadenando un proceso de autoamplificación en el que más y más oxígeno estaba disponible para acumularse en la atmósfera.

Los científicos han presentado su hipótesis utilizando análisis matemáticos y evolutivos, lo que demuestra que, de hecho, existían microbios antes del GOE y desarrollaron la capacidad de interactuar con los sedimentos de la manera que los investigadores han propuesto.

Su estudio, que aparece en Nature Communications, es el primero en conectar la evolución conjunta de microbios y minerales con la oxigenación de la Tierra.

"Probablemente el cambio biogeoquímico más importante en la historia del planeta fue la oxigenación de la atmósfera", dice el autor del estudio Daniel Rothman, profesor de geofísica en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT. "Mostramos cómo las interacciones de los microbios, los minerales y el entorno geoquímico actuaron en concierto para aumentar el oxígeno en la atmósfera".

Los coautores del estudio incluyen al autor principal Haitao Shang, ex estudiante graduado del MIT, y Gregory Fournier, profesor asociado de geobiología en EAPS.

Los niveles actuales de oxígeno en la atmósfera son un equilibrio estable entre los procesos que producen oxígeno y los que lo consumen. Antes del GOE, la atmósfera mantenía un tipo diferente de equilibrio, con productores y consumidores de oxígeno en equilibrio, pero de una manera que no dejaba mucho oxígeno extra para la atmósfera.

¿Qué podría haber empujado al planeta de un estado estable y deficiente en oxígeno a otro estado estable y rico en oxígeno?

"Si miras la historia de la Tierra, parece que hubo dos saltos, en los que pasaste de un estado estable de poco oxígeno a un estado estable de mucho más oxígeno, una vez en el Paleoproterozoico, una vez en el Neoproterozoico", señala Fournier. "Estos saltos no pueden deberse a un aumento gradual en el exceso de oxígeno. Tuvo que haber algún circuito de retroalimentación que causó este cambio radical en la estabilidad".

Él y sus colegas se preguntaron si un ciclo de retroalimentación tan positivo podría provenir de un proceso en el océano que hizo que parte del carbono orgánico no estuviera disponible para sus consumidores. El carbono orgánico se consume principalmente a través de la oxidación, generalmente acompañada por el consumo de oxígeno, un proceso por el cual los microbios en el océano usan oxígeno para descomponer la materia orgánica, como los detritos que se han asentado en los sedimentos. El equipo se preguntó: ¿Podría haber algún proceso por el cual la presencia de oxígeno estimuló su mayor acumulación?

Shang y Rothman elaboraron un modelo matemático que hizo la siguiente predicción: si los microbios poseyeran la capacidad de oxidar solo parcialmente la materia orgánica, la materia parcialmente oxidada, o "POOM", se volvería efectivamente "pegajosa" y se uniría químicamente a los minerales en sedimentar de una manera que proteja el material de una mayor oxidación. El oxígeno que de otro modo se habría consumido para degradar completamente el material estaría libre para acumularse en la atmósfera. Descubrieron que este proceso podría servir como una retroalimentación positiva, proporcionando una bomba natural para empujar la atmósfera hacia un nuevo equilibrio alto en oxígeno.

"Eso nos llevó a preguntar, ¿existe un metabolismo microbiano que produzca POOM?" dice Fourier.

Para responder a esto, el equipo buscó en la literatura científica e identificó un grupo de microbios que oxidan parcialmente la materia orgánica en las profundidades del océano en la actualidad. Estos microbios pertenecen al grupo bacteriano SAR202, y su oxidación parcial se lleva a cabo a través de una enzima, la monooxigenasa de Baeyer-Villiger o BVMO.

El equipo llevó a cabo un análisis filogenético para ver cuánto tiempo atrás se podía rastrear el microbio y el gen de la enzima. Descubrieron que las bacterias tenían ancestros anteriores al GOE, y que el gen de la enzima se podía rastrear a través de varias especies microbianas, incluso antes del GOE.

Además, encontraron que la diversificación del gen, o la cantidad de especies que adquirieron el gen, aumentó significativamente durante los momentos en que la atmósfera experimentó picos en la oxigenación, incluso una vez durante el Paleoproterozoico del GOE y nuevamente en el Neoproterozoico.

"Encontramos algunas correlaciones temporales entre la diversificación de los genes productores de POOM y los niveles de oxígeno en la atmósfera", dice Shang. "Eso apoya nuestra teoría general".

Para confirmar esta hipótesis se requerirá mucho más seguimiento, desde experimentos en el laboratorio hasta encuestas en el campo, y todo lo demás. Con su nuevo estudio, el equipo ha presentado un nuevo sospechoso en el antiguo caso de lo que oxigenó la atmósfera de la Tierra.

"Proponer un método novedoso y mostrar evidencia de su plausibilidad es el primer pero importante paso", dice Fournier. "Hemos identificado esto como una teoría digna de estudio".

Este trabajo fue apoyado en parte por Terra Catalyst Fund y National Science Foundation.

Referencia

Oxidative metabolisms catalyzed Earth’s oxygenation. Haitao Shang, Daniel H. Rothman & Gregory P. Fournier. Nature Communications volume 13, Article number: 1328 (2022). https://www.nature.com/articles/s41467-022-28996-0