La desaceleración de la rotación de la Tierra puede haber llevado a la vida tal como la conocemos

Un buzo observa los microbios púrpuras, blancos y verdes que cubren las rocas en el sumidero de Middle Island del lago Huron. Crédito: Phil Hartmeyer, Santuario Marino Nacional Thunder Bay de la NOAA.

No le prestamos demasiada atención, pero cada bocanada de aire es una bendición, y tenemos que agradecer a las bacterias. Si bien la Tierra es un paraíso que alberga innumerables especies de plantas y animales, al principio de su historia, nuestro planeta se veía radicalmente diferente, con una atmósfera rica en sulfuro de hidrógeno, metano y de diez a 200 veces más dióxido de carbono que la atmósfera actual.

Finalmente, la atmósfera de la Tierra pasó a un entorno rico en oxígeno que propició la evolución de una vida compleja y diversa gracias a las cianobacterias fotosintéticas. Sin embargo, este fue un proceso arduo y dolorosamente lento que se desarrolló durante un período de dos mil millones de años. Los científicos siempre han luchado por explicar por qué la oxigenación de la atmósfera de la Tierra tomó tanto tiempo.

Ahora, un equipo internacional de investigadores se ha acercado un paso más a resolver este rompecabezas. En un nuevo estudio publicado hoy en la revista Naturaleza Geociencia, científicos de la Universidad de Michigan, la Universidad Estatal de Grand Valley y el Instituto Max Planck de Microbiología Marina han propuesto un modelo novedoso que explica la lenta acumulación de contenido de oxígeno en la atmósfera, vinculando la oxigenación de las cianobacterias con una desaceleración en la rotación de la Tierra.

Cianobacterias tardías

Mapa de la cuenca de los Grandes Lagos que muestra el contexto geológico. La flecha y el círculo rojo indican la ubicación de varios sumideros sumergidos del lago Huron, incluido el sumidero de Middle Island. Créditos de la imagen: Figura de Biddanda et al. 2012, publicado en Conocimiento de la educación de la naturaleza, y originalmente de Granneman et al. 2000.

Algunas de las pruebas más antiguas de vida en la Tierra son Restos fosilizados de 3.500 millones de años de estructuras de esterillas microbianas, que parecen marcas de arrugas en las rocas, que se encuentran en Australia Occidental. Estas pueden muy bien haber sido cianobacterias, también conocidas como algas verdiazules. A pesar de su apodo alternativo, las cianobacterias no son en realidad algas, sino formas de vida procariotas.

Estas resistentes criaturas prosperan en ambientes cálidos, fríos, salados, ácidos y alcalinos en los que la mayoría de los eucariotas (organismos con células que tienen orgánulos y núcleos distintos) perecerían.

Las primeras cianobacterias evolucionaron a partir de organismos más primordiales y lentamente adquirieron la capacidad de utilizar la energía del sol, junto con compuestos de carbono y sulfuro, para generar energía. La evolución de las cianobacterias fue un paso más allá cuando comenzaron a utilizar agua durante la fotosíntesis, liberando oxígeno como subproducto.

Pero aunque los científicos están bastante seguros de que las cianobacterias son responsables de la oxigenación de la atmósfera terrestre y la consiguiente explosión de vida, quedan muchos enigmas sobre cómo se desarrolló exactamente este proceso.

“Una de las preguntas más persistentes en las Ciencias de la Tierra es cómo la Tierra se convirtió en el planeta rico en oxígeno en el que podríamos evolucionar. Está claro que la fotosíntesis es, y siempre ha sido, la única fuente significativa de oxígeno en nuestro planeta. La fotosíntesis oxigénica fue “inventada” por las cianobacterias, los antepasados ​​de todos los fotótrofos productores de O2 que conocemos hoy. A pesar de una evolución temprana de las cianobacterias (antes de hace 2.400 millones de años), la Tierra solo se transformó lentamente de un entorno reducido y hostil al planeta rico en O2 que conocemos hoy. Hay muchas preguntas abiertas en torno al patrón de oxigenación de la Tierra. Por ejemplo, ¿por qué tomó tanto tiempo después de la evolución de la fotosíntesis oxigenada para alcanzar el primer evento importante de oxigenación, el Gran Evento de Oxidación? ¿Por qué los niveles de oxígeno atmosférico se mantuvieron posteriormente en niveles bajos durante los “aburridos mil millones” de años? ¿Qué causó el segundo aumento importante de oxígeno después de los aburridos mil millones? ” La geomicrobióloga Judith Klatt del Instituto Max Planck de Microbiología Marina dijo Ciencia ZME.

Las respuestas a preguntas tan importantes pueden haber llegado a Klatt en un instante. Antes de unirse a Max Planck, Klat fue investigador postdoctoral en un laboratorio dirigido por Greg Dick de la Universidad de Michigan. Dick fue el líder de una expedición a bordo de la tormenta R / V, una embarcación de investigación de la NOAA de 50 pies en una misión para recolectar muestras del Sumidero de Middle Island, a varias millas de la costa de la ciudad de Alpena en Michigan.

El agua en el sumidero de Middle Island, que se encuentra a 80 pies por debajo de la superficie del lago Huron, es muy rica en azufre y baja en oxígeno, condiciones que prevalecían en la Tierra hace miles de millones de años.

“Este ecosistema, por tanto, representa una ventana al pasado de la Tierra. Por lo tanto, ya se había estudiado durante muchos años como un análogo al antiguo ‘mundo exterior’ ”, dijo Klatt.

El baile de la colchoneta

La geomicrobióloga Judith Klatt, ex investigadora postdoctoral en el laboratorio de la UM de Greg Dick y ahora en el Instituto Max Planck de Microbiología Marina, raspa una estera microbiana de la parte superior de un núcleo de sedimento recolectado en el sumidero de Middle Island en el lago Huron. Crédito de la foto: Jim Erickson, University of Michigan News.

El sumidero de Middle Island (MIS) está habitado por bacterias de colores brillantes que prosperan donde la mayoría de las otras criaturas habrían estado condenadas. Se destacan particularmente dos tipos de microbios: las cianobacterias púrpuras productoras de oxígeno que compiten con las bacterias blancas que oxidan el azufre. El primero genera oxígeno utilizando la luz solar, mientras que el segundo come azufre para obtener energía.

Estos microbios han aprendido a convivir realizando un baile que se repite y se desarrolla a lo largo de cada día. Desde el anochecer hasta el amanecer, las bacterias que consumen azufre forman una estera que se asienta sobre las cianobacterias, bloqueando su acceso a la luz solar. Cuando sale el sol, las bacterias que comen azufre descienden, dejando espacio para que las cianobacterias suban a la superficie y comiencen a producir oxígeno. Sin embargo, las cianobacterias tardan unas horas en aumentar su producción de oxígeno al máximo, según descubrieron Klatt y sus colegas después de realizar experimentos controlados en el laboratorio de Greg Dick.

“Luego, Greg presentó algunos de estos resultados durante una charla para una audiencia general en 2016. Brian Arbic (un oceanógrafo físico de la Universidad de Michigan) estuvo presente allí y luego se acercó a nosotros para preguntarnos si pensamos que la duración del día habría impactado la fotosíntesis. Si bien estaba claro que las esteras MIS habrían sido muy sensibles a la duración del día, en realidad dudaba en generalizar este pensamiento, a pesar de la asombrosa similitud entre el patrón de oxigenación y la tasa de rotación de la Tierra sugerida por algunos modelos. Luego tomó más de un año para el siguiente gran paso. Mientras visitaba el MPI en Bremen, de repente me di cuenta de que, de hecho, existe un vínculo mecanicista general entre la duración del día, es decir, la dinámica de la luz durante un ciclo día-noche, y la liberación de O2 de cualquier posible alfombra. Estaba súper emocionado, lo bosquejé rápidamente y me acerqué al escritorio de Arjun Chennu (que entonces también trabajaba en el Instituto Max Planck de Microbiología Marina y ahora dirige su propio grupo en el Centro Leibniz de Investigación Marina Tropical (ZMT) en Bremen). para hablarlo. La idea lo atrapó de inmediato y comenzamos a configurar el modelo numérico el mismo día. El largo viaje de escalas pequeñas a globales fue entonces un verdadero desafío, pero también divertido ”, relató Klatt.

La luz del día solía ser mucho más corta al principio de la historia del planeta, posiblemente tan solo seis horas. La tasa de rotación de la Tierra disminuyó lentamente debido al tira y afloja con la gravedad de la Luna y la fricción de las mareas. Sin embargo, esta desaceleración rotacional no ha sido constante e incluso se interrumpió durante aproximadamente mil millones de años, lo que coincide con un largo período de niveles de oxígeno global estático y una evolución biológica estancada conocida como el Boring Billion, también conocido como el tiempo más dulce en la historia de la Tierra. La desaceleración rotacional de la Tierra comenzó nuevamente hace unos 600 millones de años, lo que también marca una transición importante en las concentraciones globales de oxígeno.

Para Klatt y sus colegas, estos patrones coincidentes parecían más que una simple coincidencia. De hecho, el modelo realizado por Chennu sugiere que la duración del día, de hecho, influye mucho en la liberación de oxígeno de las esteras de cianobacterias.

“Después de varias semanas de modelado, presentamos los gráficos de liberación de oxígeno de dos días de diferentes duraciones. La diferencia, aunque sutil, radica en que un día más largo libera oxígeno de manera diferente a un día más corto. Necesitábamos mucho más trabajo para averiguar qué significa eso, pero recuerdo ese momento en el que las líneas del gráfico no se alineaban del todo ”, dijo Chennu. Ciencia ZME.

Estos resultados son algo contrarios a la intuición. Aunque la Tierra primitiva pudo haber tenido un día de 6 horas, en un lapso de 24 horas, un área de superficie habría estado expuesta a la misma cantidad de luz acumulada que en la actualidad. Sin embargo, estas interrupciones causadas por el crepúsculo temprano son importantes debido a la difusión molecular, que está desvinculada de la producción de oxígeno. En otras palabras, incluso si las bacterias producen la misma cantidad de oxígeno durante un día de 24 horas que durante cuatro días de seis horas, la cantidad neta de oxígeno que se difunde a la atmósfera es mucho menor durante el día más corto.

“Incluso si las cianobacterias de la estera hubieran producido la misma cantidad de O2 durante miles de millones de años, menos O2 habría escapado de una estera durante un día de 12 horas en comparación con un día de 18 horas, por ejemplo. Estos cambios podrían haber sido relativamente pequeños, tal vez solo un pequeño porcentaje de oxígeno adicional. Pero teniendo en cuenta que la Tierra era probablemente un “mundo exterior”, este pequeño porcentaje podría haber tenido un gran impacto. En algunos casos extremos, incluidos los tapetes MIS, la duración del día tuvo, sin embargo, una influencia muy obvia e incluso convirtió los tapetes de sumideros en fuentes de oxígeno ”, dijo Klatt.

“El corazón de nuestra historia es la física simple: la física de la transferencia de masa por difusión, que vincula la dinámica de la luz con la exportación de sustancias de un ecosistema. Cuando se trata de la pregunta: C¿Hubiera sido lo suficientemente importante para dar forma al patrón de oxigenación de la Tierra?, nuestra historia claramente se vuelve conjetural. Probamos nuestra hipótesis tanto como fue posible, pero tuvimos que basarnos en varios supuestos, en una amplia gama de disciplinas científicas. Por lo tanto, presentamos un concepto más que una estimación cuantitativa, lo que requeriría más estudios empíricos ”, agregó el investigador.

La luz del día no es el único impulsor de la oxigenación, pero puede haber jugado un papel crucial junto con otros procesos físicos y biológicos, cada uno contribuyendo poco pero ampliándose con el tiempo.

“Proponemos una interacción entre la mecánica planetaria y los procesos físicos y biológicos de escala fina a escalas extremadamente pequeñas durante escalas de tiempo extremadamente largas. El artículo es, por tanto, un mosaico de conceptos de diversas disciplinas. Por lo tanto, necesitábamos aprovechar los conocimientos de la geología sobre el patrón de oxigenación de la Tierra y de la oceanografía y la astronomía para la desaceleración rotacional de la Tierra, por ejemplo. Pero moverse a través de todo tipo de escalas espaciales y temporales y entre campos de investigación fue en general la parte más divertida ”, concluyó Klatt.