El oxígeno constituye el 21% de la atmósfera de la Tierra, y lo necesitamos para respirar. Las bacterias antiguas desarrollaron enzimas protectoras que impidieron que el oxígeno dañara su ADN, pero ¿qué incentivo evolutivo tenían para hacer esto? Los investigadores han descubierto que la luz ultravioleta que golpea la superficie del hielo glacial puede liberar oxígeno molecular. Las colonias de bacterias que viven cerca de este hielo habrían necesitado evolucionar esta defensa protectora. Luego estaban bien equipados para manejar el crecimiento del oxígeno atmosférico producido por otras bacterias que normalmente serían tóxicas.
Hace dos mil quinientos millones de años, cuando nuestros antepasados evolutivos eran poco más que un centelleo en la membrana plasmática de una bacteria, el proceso conocido como fotosíntesis de repente ganó la capacidad de liberar oxígeno molecular en la atmósfera de la Tierra, causando uno de los mayores cambios ambientales en el historia de nuestro planeta. Los organismos que se asumieron responsables fueron las cianobacterias, que se sabe que han desarrollado la capacidad de convertir el agua, el dióxido de carbono y la luz solar en oxígeno y azúcar, y todavía están presentes hoy en día como las algas verde azuladas y los cloroplastos en todas las plantas verdes.
Pero los investigadores han estado desconcertados durante mucho tiempo sobre cómo las cianobacterias podrían producir todo ese oxígeno sin envenenarse. Para evitar que su ADN sea destruido por un radical hidroxilo que ocurre naturalmente en la producción de oxígeno, las cianobacterias habrían tenido que desarrollar enzimas protectoras. Pero, ¿cómo podría la selección natural haber llevado a las cianobacterias a desarrollar estas enzimas si la necesidad de ellas aún no existiera?
Ahora, dos grupos de investigadores del Instituto de Tecnología de California ofrecen una explicación de cómo las cianobacterias podrían haber evitado esta contradicción aparentemente irremediable. Al informar en las Actas del 12 de diciembre de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) y disponibles en línea esta semana, los grupos demuestran que la luz ultravioleta que golpea la superficie del hielo glacial puede conducir a la acumulación de oxidantes congelados y la eventual liberación de oxígeno molecular en el océanos y atmósfera. Este goteo de veneno podría impulsar la evolución de las enzimas protectoras de oxígeno en una variedad de microbios, incluidas las cianobacterias. Según Yuk Yung, profesor de ciencias planetarias, y Joe Kirschvink, profesor de geobiología de Van Wingen, la solución de peróxido UV es "bastante simple y elegante".
"Antes de que apareciera oxígeno en la atmósfera, no había una pantalla de ozono que impidiera que la luz ultravioleta golpeara la superficie", explica Kirschvink. “Cuando la luz ultravioleta golpea el vapor de agua, convierte algo de esto en peróxido de hidrógeno, como las cosas que compra en el supermercado para decolorar el cabello, más un poco de gas hidrógeno.
“Normalmente, este peróxido no duraría mucho debido a las reacciones de retroceso, pero durante una glaciación, el peróxido de hidrógeno se congela en un grado por debajo del punto de congelación del agua. Si la luz UV hubiera penetrado hasta la superficie de un glaciar, pequeñas cantidades de peróxido habrían quedado atrapadas en el hielo glacial ". Este proceso en realidad ocurre hoy en la Antártida cuando se forma el agujero de ozono, lo que permite que la fuerte luz UV golpee el hielo.
Antes de que hubiera oxígeno en la atmósfera de la Tierra o en cualquier pantalla UV, el hielo glacial habría fluido cuesta abajo hacia el océano, derretido y liberado pequeñas cantidades de peróxido directamente en el agua del mar, donde otro tipo de reacción química convirtió el peróxido nuevamente en agua. y oxigeno. Esto sucedió lejos de la luz UV que mataría a los organismos, pero el oxígeno estaba en niveles tan bajos que las cianobacterias habrían evitado el envenenamiento por oxígeno.
"El océano era un lugar hermoso para que evolucionaran las enzimas protectoras de oxígeno", dice Kirschvink. "Y una vez que esas enzimas protectoras estaban en su lugar, allanó el camino para la evolución de la fotosíntesis oxigenada y para la respiración aeróbica para que las células pudieran respirar oxígeno como lo hacemos nosotros".
La evidencia de la teoría proviene de los cálculos del autor principal Danie Liang, un recién graduado en ciencia planetaria en Caltech que ahora se encuentra en el Centro de Investigación para Cambios Ambientales en la Academia Sinica en Taipei, Taiwán.
Según Liang, una congelación grave conocida como la Tierra de Bola de Nieve de Makganyene ocurrió hace 2.300 millones de años, aproximadamente cuando las cianobacterias desarrollaron sus capacidades de producción de oxígeno. Durante el episodio de Snowball Earth, podría haberse almacenado suficiente peróxido para producir casi tanto oxígeno como el que hay ahora en la atmósfera.
Como evidencia adicional, este nivel de oxígeno estimado también es suficiente para explicar la deposición del campo de manganeso Kalahari en Sudáfrica, que tiene el 80 por ciento de las reservas económicas de manganeso en todo el mundo. Este depósito se encuentra inmediatamente encima del último rastro geológico de la bola de nieve Makganyene.
"Solíamos pensar que era una floración de cianobacterias después de esta glaciación que arrojó el manganeso fuera del agua de mar", dice Liang. "Pero puede haber sido simplemente el oxígeno de la descomposición del peróxido después de la bola de nieve que lo hizo".
Además de Kirschvink, Yung y Liang, los otros autores son Hyman Hartman, del Centro de Ingeniería Biomédica del MIT, y Robert Kopp, un estudiante graduado en geobiología en Caltech. Hartman, junto con Chris McKay del Centro de Investigación Ames de la NASA, fueron los primeros defensores del papel que desempeñaba el peróxido de hidrógeno en el origen y la evolución de la fotosíntesis oxigenada, pero no pudieron identificar una buena fuente inorgánica para el mismo en el medio ambiente precámbrico de la Tierra.
Fuente original: Comunicado de prensa de Caltech
