Novedades de la historia de la Tierra: Cómo las cianobacterias productoras de oxígeno hicieron posible nuestra vida

Achim Herrmann investiga la expansión de las cianobacterias tempranas. (Foto: Koziel/TUK)

Achim Herrmann se doctoró con Michelle Gehringer en el campo de la geomicrobiología. (Foto: Koziel/TUK)

Hace 2,43 mil millones de años comenzó la "Gran Catástrofe de Oxígeno" (GOE o "Great Oxygenation Event"): La atmósfera de la Tierra se enriqueció continuamente con oxígeno, un subproducto de la fotosíntesis. Los desencadenantes fueron, según la ciencia, cianobacterias que realizaban fotosíntesis. Pero, ¿por qué ocurrió tan tarde este cambio tan importante? La vida cianobacteriana existía, como muestran muestras de rocas, al menos 300 millones de años antes del GOE. La respuesta en busca de pistas la investiga Achim Herrmann, quien en su tesis doctoral en la TU Kaiserslautern estudia la expansión de las primeras cianobacterias. Su artículo de investigación actual ha sido publicado ahora en la revista especializada Nature Communications.

“Existen muchas teorías científicas que se complementan y explican por qué la expansión necesaria para el GOE o la catástrofe de oxígeno se retrasó”, explica Herrmann, quien doctoró en el campo de la geomicrobiología con Michelle Gehringer. “Por ejemplo, que pudieron haberse originado en agua dulce, que en aquel entonces, como hoy, solo representaba una fracción de la superficie terrestre. Solo cuando se adaptaron a aguas más salinas y finalmente se establecieron en el océano abierto, pudieron formar suficiente biomasa para provocar un cambio global en la atmósfera terrestre.” Otra teoría sugiere que las aguas marinas ricas en hierro inicialmente pudieron haber sido tóxicas para las bacterias que realizaban fotosíntesis. El hierro se había acumulado en ese entonces, en el período anóxico del eón Arcaico, principalmente en forma de iones de hierro (II) bien solubles y reducidos en el océano.

Herrmann vinculó su investigación con la hipótesis del veneno de hierro. “Queríamos comprobar si el hierro (II) no solo inhibe el crecimiento y la capacidad fotosintética de cepas modernas, sino también de linajes marinos más primitivos, concretamente Pseudanabaena sp. PCC7367 y Synechococcus sp. PCC7336”, explica el biólogo.

Se evidenció rápidamente la importancia de la configuración experimental. En el sistema ya establecido — las bacterias se cultivan en botellas de vidrio selladas —, su desarrollo fue generalmente pobre: “La actividad biológica en ambas cepas fue muy baja, en Synechococcus incluso casi completamente suprimida”, comenta el biólogo. La solución fue: “Una estación de trabajo anaeróbica especialmente fabricada por el taller de metales de la TUK, en la que la composición de la atmósfera en sus cámaras puede regularse automáticamente”, explica. “Allí cultivamos las cianobacterias en grandes botellas de laboratorio con tapas permeables a gases, para permitir el intercambio gaseoso. El oxígeno producido por ellas se eliminaba regularmente del sistema, y el dióxido de carbono se mantenía en una concentración baja y constante. Así, pudimos simular un oasis de oxígeno marino superficial, como se infiere en muestras de rocas del Arcaico.”

Como era de esperar, se comprobó que las cianobacterias “se sentían mejor” en un entorno más realista. Pero, ¿qué pasaba con una sola adición de hierro en concentraciones crecientes? Las bacterias de la cepa Pseudanabaena crecieron bien en general, aunque más lentamente que en el sistema de control paralelo. Sin embargo, en las bacterias de la cepa Synechococcus, quedó claramente demostrado que, con el aumento de hierro, la velocidad de división celular disminuía. Otra conclusión fue que el oxígeno producido oxidaba principalmente los iones de Fe(II) disueltos en lugar de escapar a la atmósfera. Además, la capacidad de producción de oxígeno de las cepas alcanzó en el entorno de prueba anóxico valores mucho más altos que en una configuración de control con atmósfera oxigénica, como la que nos rodea hoy en día.

También se observó solo en este sistema la formación de lo que se llama “óxido verde”, una mezcla de Fe(II) y hierro ya oxidado a Fe(III). La formación de óxido verde fue acompañada por una fuerte disminución de la actividad biológica, probablemente debido a la “costra” de las células con óxidos de hierro. Durante el Arcaico, la formación de este tipo de óxido verde pudo haber contribuido decisivamente a la formación de minerales de hierro bandado, que hoy en día son la fuente más importante de minerales de hierro.

Por último, Herrmann modificó nuevamente el escenario experimental y ajustó la adición de hierro a un ciclo de mareas simulado. La adición se realizó inicialmente de forma regular al comienzo de la noche, cuando la concentración de oxígeno en el medio caía a cero debido a la ausencia de actividad fotosintética. Luego, el crecimiento en ambas cepas se desaceleró notablemente, pero nunca se detuvo por completo. Esto mostró que un oasis de oxígeno del Arcaico también podría haber tolerado la entrada de agua rica en hierro durante la noche. Aquí también se formó óxido verde, que pudo oxidarse rápidamente y, por tanto, no provocó una detención total del crecimiento.

En general, Herrmann, con su trabajo de investigación, llenó más huecos en el rompecabezas de la historia de la Tierra. Pudo demostrar cómo pudo haber sido el ciclo del hierro en un oasis de oxígeno arcaico en ambas cepas de cianobacterias, y también que, debido a la mayor producción de oxígeno, probablemente se necesitaba menos superficie cubierta para el inicio del GOE. Además, desarrolló un concepto para el cultivo de cianobacterias que refleja mejor las condiciones de vida en el Arcaico.

“Espero que con mi artículo de investigación pueda contribuir a que entendamos mejor cómo pudo haberse desarrollado nuestra atmósfera rica en oxígeno”, concluye el biólogo.

Información sobre el artículo de investigación publicado:
Herrmann A.J., Sorwat J., Byrne J.M., Frankenberg-Dinkel, N. y Gehringer M.M.
“Ciclo diurno Fe(II)/Fe(III) y producción mejorada de O2 en un oasis marino de oxígeno arcaico simulado”
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22258-1
DOI: 10.1038/s41467-021-22258-1

Preguntas respondidas por:
Achim Herrmann
Correo electrónico: a_herrma@rhrk.uni-kl.de
Tel.: (0)631 205-2199