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En algún momento de la historia temprana de la Tierra, el planeta dio un giro hacia la habitabilidad cuando un grupo de microbios emprendedores conocidos como cianobacterias desarrollaron la fotosíntesis oxigénica -la capacidad de convertir la luz y el agua en energía, liberando oxígeno en el proceso.
Este momento evolutivo hizo posible que el oxígeno acabara acumulándose en la atmósfera y los océanos, desencadenando un efecto dominó de diversificación y dando forma al planeta singularmente habitable que conocemos hoy.
Ahora, los científicos del MIT tienen una estimación precisa de cuándo se originaron las cianobacterias y la fotosíntesis oxigenica. Sus resultados aparecen en la revista Proceedings of the Royal Society B.
Desarrollaron una nueva técnica de análisis de genes que demuestra que todas las especies de cianobacterias que viven hoy en día pueden remontarse a un ancestro común que evolucionó hace unos 2.900 millones de años. También descubrieron que los ancestros de las cianobacterias se separaron de otras bacterias hace unos 3.400 millones de años, y que la fotosíntesis oxigénica probablemente evolucionó durante el medio billón de años intermedio, durante el Eón Arcaico.
Curiosamente, esta estimación sitúa la aparición de la fotosíntesis oxigénica al menos 400 millones de años antes del Gran Evento de Oxidación, un periodo en el que la atmósfera y los océanos de la Tierra experimentaron por primera vez un aumento de oxígeno. Esto sugiere que las cianobacterias pueden haber desarrollado la capacidad de producir oxígeno desde el principio, pero que tardó un tiempo en afianzarse en el medio ambiente.
"En la evolución, las cosas siempre empiezan de a poco", dice el autor principal, Greg Fournier, profesor asociado de geobiología en el Departamento de Ciencias Terrestres, Atmosféricas y Planetarias del MIT. "Aunque hay pruebas de la fotosíntesis oxigénica primitiva -que es la innovación evolutiva más importante y realmente asombrosa de la Tierra-, tardó cientos de millones de años en despegar".
Los coautores de Fournier en el MIT son Kelsey Moore, Luiz Thiberio Rangel, Jack Payette, Lily Momper y Tanja Bosak.
¿Fusible lento o fuego salvaje?
Las estimaciones sobre el origen de la fotosíntesis oxigénica varían mucho, al igual que los métodos para rastrear su evolución.
Por ejemplo, los científicos pueden utilizar herramientas geoquímicas para buscar rastros de elementos oxidados en rocas antiguas. Estos métodos han encontrado indicios de que el oxígeno ya estaba presente hace 3.500 millones de años, lo que indica que la fotosíntesis oxigénica pudo ser el origen, aunque también son posibles otras fuentes.
Los investigadores también han utilizado la datación por reloj molecular, que utiliza las secuencias genéticas de los microbios actuales para rastrear los cambios en los genes a lo largo de la historia evolutiva. A partir de estas secuencias, los investigadores utilizan modelos para estimar la velocidad a la que se producen los cambios genéticos, y así determinar cuándo evolucionaron por primera vez los grupos de organismos. Pero la datación por reloj molecular está limitada por la calidad de los fósiles antiguos y el modelo de velocidad elegido, que puede producir diferentes estimaciones de edad, dependiendo de la velocidad que se asuma.
Fournier afirma que las diferentes estimaciones de edad pueden implicar narrativas evolutivas contradictorias. Por ejemplo, algunos análisis sugieren que la fotosíntesis oxigénica evolucionó muy pronto y progresó "como un fusible lento", mientras que otros indican que apareció mucho más tarde y luego "despegó como un incendio" para desencadenar el Gran Evento de Oxidación y la acumulación de oxígeno en la biosfera.
"Para que podamos entender la historia de la habitabilidad en la Tierra, es importante que distingamos entre estas hipótesis", afirma.
Genes horizontales
Para datar con precisión el origen de las cianobacterias y de la fotosíntesis oxigenica, Fournier y sus colegas combinaron la datación por reloj molecular con la transferencia horizontal de genes, un método independiente que no depende enteramente de los fósiles ni de las suposiciones sobre las tasas.
Normalmente, un organismo hereda un gen "verticalmente", cuando se transmite de un progenitor del organismo. En raras ocasiones, un gen también puede saltar de una especie a otra, relacionada de forma lejana. Por ejemplo, una célula puede comerse a otra y, en el proceso, incorporar algunos genes nuevos a su genoma.
Cuando se encuentra un historial de transferencia horizontal de genes de este tipo, está claro que el grupo de organismos que adquirió el gen es evolutivamente más joven que el grupo del que se originó el gen. Fournier pensó que estos casos podrían utilizarse para determinar la edad relativa de ciertos grupos de bacterias. Las edades de estos grupos podrían entonces compararse con las edades que predicen varios modelos de reloj molecular. El modelo que más se acerque será probablemente el más exacto y podrá utilizarse para estimar con precisión la edad de otras especies bacterianas, en concreto de las cianobacterias.
Fournier utilizó este modelo para estimar la edad del grupo "corona" de las cianobacterias, que engloba a todas las especies que viven en la actualidad y que se sabe que realizan la fotosíntesis oxigénica. Descubrieron que, durante el eón Arcaico, el grupo de la corona se originó hace unos 2.900 millones de años, mientras que las cianobacterias en su conjunto se ramificaron de otras bacterias hace unos 3.400 millones de años. Esto sugiere que la fotosíntesis oxigénica ya se producía 500 millones de años antes del Gran Evento de Oxidación (GOE), y que las cianobacterias estuvieron produciendo oxígeno durante bastante tiempo antes de que se acumulara en la atmósfera.
El análisis también reveló que, poco antes del Gran Evento de Oxidación (GOE), hace unos 2.400 millones de años, las cianobacterias experimentaron un estallido de diversificación. Esto implica que una rápida expansión de las cianobacterias pudo haber llevado a la Tierra a la GOE y lanzado el oxígeno a la atmósfera.
Fournier planea aplicar la transferencia horizontal de genes más allá de las cianobacterias para precisar los orígenes de otras especies esquivas.
"Este trabajo demuestra que los relojes moleculares que incorporan las transferencias genéticas horizontales (TGH) prometen proporcionar de forma fiable las edades de los grupos a lo largo de todo el árbol de la vida, incluso para los microbios antiguos que no han dejado ningún registro fósil... algo que antes era imposible", afirma Fournier.
Fuentes, créditos y referencias:
The Archean Origin of Oxygenic Photosynthesis and Extant Cyanobacterial Lineages, Proceedings of the Royal Society B, rspb.royalsocietypublishing.org/lookup/doi/10.1098/rspb.2021.0675