Enfocando los orígenes de la “innovación evolutiva más importante de la Tierra”

Un nuevo estudio muestra que la fotosíntesis oxigenada probablemente evolucionó hace entre 3.4 y 2.9 mil millones de años.

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 oxigenada, la capacidad de convertir la luz y el agua en energía, liberando oxígeno en el proceso.

Este momento evolutivo hizo posible que el oxígeno se acumulara eventualmente en la atmósfera y los océanos, lo que provocó un efecto dominó de diversificación y dio forma al planeta habitable de forma única que conocemos hoy.  

Ahora, los científicos del MIT tienen una estimación precisa de cuándo se originaron por primera vez las cianobacterias y la fotosíntesis oxigenada. Sus resultados aparecen hoy en las Actas de la Royal Society B.

Desarrollaron una nueva técnica de análisis de genes que muestra que todas las especies de cianobacterias que viven en la actualidad se remontan a un ancestro común que evolucionó hace unos 2.900 millones de años. También encontraron que los antepasados ​​de las cianobacterias se ramificaron de otras bacterias hace unos 3.400 millones de años, y que la fotosíntesis oxigénica probablemente evolucionó durante los quinientos millones de años intermedios, durante el Eón Arqueano.

Curiosamente, esta estimación sitúa la aparición de la fotosíntesis oxigenada al menos 400 millones de años antes del Gran Evento de Oxidación, un período 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 tomó un tiempo para que este oxígeno realmente se arraigara en el medio ambiente.

“En la evolución, las cosas siempre comienzan con algo pequeño”, dice el autor principal Greg Fournier, Profesor Asociado de Geobiología en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias del MIT. “A pesar de que hay evidencia de la fotosíntesis oxigénica temprana, que es la innovación evolutiva más importante y realmente sorprendente en la Tierra, todavía tomó cientos de millones de años para que despegara”.

Los coautores del MIT de Fournier incluyen a Kelsey Moore, Luiz Thiberio Rangel, Jack Payette, Lily Momper y Tanja Bosak.

¿Un fusible lento o, un incendio forestal?

Las estimaciones del origen de la fotosíntesis oxigenada varían ampliamente, junto con los métodos para rastrear su evolución.

Por ejemplo, los científicos pueden usar herramientas geoquímicas para buscar rastros de elementos oxidados en rocas antiguas. Estos métodos han encontrado indicios de que el oxígeno estaba presente hace 3.500 millones de años, una señal de que la fotosíntesis oxigenada puede haber sido la fuente, 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. Con base en estas secuencias, los investigadores luego usan modelos para estimar la velocidad a la que ocurren los cambios genéticos, para rastrear 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 asumida.

Fournier dice que diferentes estimaciones de edad pueden implicar narrativas evolutivas conflictivas. Por ejemplo, algunos análisis sugieren que la fotosíntesis oxigenada evolucionó muy temprano y progresó «como una mecha lenta», mientras que otros indican que apareció mucho más tarde y luego «despegó como la pólvora» para desencadenar el Gran Evento de Oxidación y la acumulación de oxígeno en la biosfera.

“Para que podamos comprender la historia de la habitabilidad en la Tierra, es importante que distingamos entre estas hipótesis”, dice.

Genes horizontales

Para fechar con precisión el origen de las cianobacterias y la fotosíntesis oxigenada, Fournier y sus colegas emparejaron la datación por reloj molecular con la transferencia horizontal de genes, un método independiente que no se basa completamente en fósiles o suposiciones de velocidad.

Normalmente, un organismo hereda un gen «verticalmente», cuando se transmite desde el padre del organismo. En raras ocasiones, un gen también puede saltar de una especie a otra, especies relacionadas lejanamente. 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 de genes horizontal de este tipo, queda claro que el grupo de organismos que adquirió el gen es evolutivamente más joven que el grupo del que se originó el gen. Fournier razonó que tales casos podrían usarse para determinar las edades relativas entre ciertos grupos bacterianos. Las edades de estos grupos podrían compararse con las edades que predicen varios modelos de reloj molecular. El modelo que se acerque más probablemente sea el más preciso, y luego podría usarse para estimar con precisión la edad de otras especies bacterianas, específicamente, las cianobacterias.

Siguiendo este razonamiento, el equipo buscó casos de transferencia horizontal de genes a través de los genomas de miles de especies bacterianas, incluidas las cianobacterias. También utilizaron nuevos cultivos de cianobacterias modernas tomadas por Bosak y Moore, para utilizar con mayor precisión cianobacterias fósiles como calibraciones. Al final, identificaron 34 casos claros de transferencia genética horizontal. Luego encontraron que uno de cada seis modelos de reloj molecular coincidía consistentemente con las edades relativas identificadas en el análisis de transferencia horizontal de genes del equipo.

Fournier corrió este modelo para estimar la edad del grupo de cianobacterias de la “corona”, que abarca todas las especies que viven en la actualidad y que se sabe que exhiben 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 fuertemente que la fotosíntesis oxigenada ya estaba ocurriendo 500 millones de años antes del Gran Evento de Oxidación (GOE), y que las cianobacterias estaban produciendo oxígeno durante bastante tiempo antes de que se acumulara en la atmósfera.

El análisis también reveló que, poco antes del GOE, hace unos 2.400 millones de años, las cianobacterias experimentaron un estallido de diversificación. Esto implica que una rápida expansión de las cianobacterias puede haber inclinado la Tierra hacia el GOE y haber lanzado oxígeno a la atmósfera.

“Este nuevo artículo arroja nueva luz esencial sobre la historia de la oxigenación de la Tierra al unir, de formas novedosas, el registro fósil con datos genómicos, incluidas las transferencias horizontales de genes”, dice Timothy Lyons, Profesor de Biogeoquímica en la Universidad de California en Riverside. «Los resultados hablan de los inicios de la producción biológica de oxígeno y su importancia ecológica, de manera que proporcionan restricciones vitales sobre los patrones y controles sobre la oxigenación más temprana de los océanos y las acumulaciones posteriores en 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 muestra que los relojes moleculares que incorporan transferencias de genes horizontales (HGT) prometen proporcionar de manera confiable las edades de los grupos en todo el árbol de la vida, incluso para microbios antiguos que no han dejado ningún registro fósil … algo que antes era imposible”, dice Fournier. 

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Fundación Simons y la Fundación Nacional de Ciencias.

Fuente: Massachusetts Institute of Technology (MIT) News.

Artículo original: Zeroing in on the origins of Earth’s “single most important evolutionary innovation”. Jennifer Chu. September 28, 2021.

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