El aumento de los niveles de oxígeno al principio de la historia de la Tierra preparó el camino para la espectacular diversidad de la vida animal. Pero durante décadas, los científicos han luchado por explicar los factores que controlaron este proceso gradual y escalonado, que se desarrolló durante casi 2.000 millones de años.
Ahora, un equipo internacional de investigación propone que el aumento de la duración del día en la Tierra primitiva -el giro del joven planeta se fue ralentizando gradualmente con el tiempo, haciendo que los días fueran más largos- puede haber impulsado la cantidad de oxígeno liberado por las cianobacterias fotosintéticas, determinando así el momento de la oxigenación de la Tierra, según publican en la revista ‘Nature Geoscience’.
Su conclusión se inspiró en un estudio de las comunidades microbianas actuales que crecen en condiciones extremas en el fondo de un sumidero sumergido del lago Hurón, a 30 metros bajo la superficie del agua. El agua del sumidero de Middle Island, en Estados Unidos, es rica en azufre y baja en oxígeno, y las bacterias de colores brillantes que prosperan allí se consideran buenos análogos de los organismos unicelulares que formaban colonias similares a alfombras hace miles de años, alfombrando las superficies del suelo terrestre y marino.
Los investigadores demuestran que la mayor duración del día aumenta la cantidad de oxígeno liberado por las alfombras microbianas fotosintéticas. Este hallazgo, a su vez, apunta a un vínculo no considerado anteriormente entre la historia de la oxigenación de la Tierra y su tasa de rotación. Mientras que la Tierra gira ahora sobre su eje una vez cada 24 horas, la duración del día era posiblemente tan breve como 6 horas durante la infancia del planeta.
Los autores principales son y Arjun Chennu, del Centro Leibniz de Investigación Marina Tropical. Klatt es una antigua investigadora postdoctoral en el laboratorio del Gregory Dick, que es uno de los dos autores correspondientes del estudio. Los otros coautores son de la Universidad de Michigan y de la Universidad Estatal de Grand Valley.
«Una pregunta permanente en las ciencias de la Tierra ha sido cómo obtuvo la atmósfera de la Tierra su oxígeno, y qué factores controlaron cuándo tuvo lugar esta oxigenación», señala el geomicrobiólogo de la Universidad de Michigan Gregory Dick desde la cubierta del ‘R/V Storm’, un buque de investigación de 50 pies de la NOAA que transportó a un equipo de científicos y buzos en un viaje de recogida de muestras desde la ciudad de Alpena, Michigan, hasta el sumidero de Middle Island, a varias millas de la costa.
«Nuestra investigación sugiere que la velocidad a la que gira la Tierra, en otras palabras, la duración del día, puede haber tenido un efecto importante en el patrón y el momento de la oxigenación de la Tierra», explica Dick, profesor del Departamento de Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente de la UM.
Los investigadores simularon la ralentización gradual de la velocidad de rotación de la Tierra y demostraron que los días más largos habrían aumentado la cantidad de oxígeno liberado por los primeros tapetes de cianobacterias de una manera que ayuda a explicar los dos grandes eventos de oxigenación del planeta.
El proyecto comenzó cuando el coautor Brian Arbic, oceanógrafo físico del Departamento de Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente de la UM, escuchó una conferencia pública sobre el trabajo de Klatt y observó que los cambios en la duración del día podrían desempeñar un papel, a lo largo del tiempo geológico, en la historia de la fotosíntesis que el laboratorio de Dick estaba desarrollando.
Las cianobacterias tienen mala fama hoy en día porque son las principales responsables de las antiestéticas y tóxicas floraciones de algas que asolan el lago Erie y otras masas de agua de todo el mundo.
Pero estos microbios, antes conocidos como algas verde-azules, existen desde hace miles de millones de años y fueron los primeros organismos en descubrir cómo capturar la energía de la luz solar y utilizarla para producir compuestos orgánicos mediante la fotosíntesis, liberando oxígeno como subproducto.
Se atribuye a las masas de estos sencillos organismos que vivían en los mares primitivos la liberación de oxígeno que posteriormente permitió la aparición de los animales multicelulares. El planeta se fue transformando poco a poco, pasando de una cantidad de oxígeno prácticamente nula a los niveles atmosféricos actuales, que rondan el 21%.
En el sumidero de Middle Island, en el lago Hurón, las cianobacterias púrpuras productoras de oxígeno compiten con las bacterias blancas oxidantes del azufre, que utilizan éste, y no la luz solar, como principal fuente de energía.
En una danza microbiana que se repite a diario en el fondo del sumidero de Middle Island, láminas de microbios morados y blancos compiten por su posición a medida que avanza el día y cambian lentamente las condiciones ambientales. Las bacterias blancas que se alimentan de azufre cubren físicamente a las cianobacterias púrpuras por la mañana y por la tarde, bloqueando su acceso a la luz solar e impidiendo que realicen la fotosíntesis que produce oxígeno.
Pero cuando los niveles de luz solar aumentan hasta un umbral crítico, las bacterias oxidantes del azufre vuelven a migrar por debajo de las cianobacterias fotosintéticas, lo que les permite empezar a producir oxígeno.
La migración vertical de las bacterias oxidantes del azufre ya se había observado anteriormente. La novedad es que los autores del estudio de Nature Geoscience son los primeros en relacionar estos movimientos microbianos, y las tasas de producción de oxígeno resultantes, con los cambios en la duración del día a lo largo de la historia de la Tierra.
«Dos grupos de microbios en las coberturas del sumidero de Middle Island compiten por la posición más alta, con bacterias oxidantes del azufre que a veces hacen sombra a las cianobacterias fotosintéticamente activas –explica Judith Klatt, del Instituto Max Planck de Microbiología Marina, mientras procesaba una muestra de núcleo de los tapetes microbianos del sumidero de Middle Island en un laboratorio de Alpena–. Es posible que un tipo similar de competencia entre microbios contribuyera al retraso en la producción de oxígeno en la Tierra primitiva».
Una de las claves para entender el vínculo propuesto entre el cambio de la duración del día y la oxigenación de la Tierra es que los días más largos prolongan el período de alta luminosidad de la tarde, lo que permite a las cianobacterias fotosintéticas producir más oxígeno.
«La idea es que con una duración del día más corta y una ventana más corta para las condiciones de alta luz por la tarde, esas bacterias blancas que comen azufre estarían por encima de las bacterias fotosintéticas durante mayores porciones del día, limitando la producción de oxígeno», añade Dick.
Se cree que los microbios actuales del lago Hurón son buenos análogos de los organismos antiguos, en parte porque el entorno extremo del fondo del Middle Island Sinkhole probablemente se asemeja a las duras condiciones que imperaban en los mares poco profundos de la Tierra primitiva.
A lo largo de la mayor parte de la historia de la Tierra, el oxígeno atmosférico era escaso y se cree que aumentó en dos grandes etapas. El Gran Evento de Oxidación se produjo hace unos 2.400 millones de años y se atribuye generalmente a las primeras cianobacterias fotosintetizadoras. Casi 2.000 millones de años más tarde se produjo un segundo aumento del oxígeno, conocido como Evento de Oxigenación del Neoproterozoico.
La velocidad de rotación de la Tierra ha ido disminuyendo lentamente desde que se formó el planeta, hace unos 4.600 millones de años, debido al incesante tirón de la gravedad de la Luna, que crea una fricción de mareas.
