Centrarse en los orígenes de la «innovación evolutiva individual más significativa» de la Tierra.

En algún momento de la historia temprana de la Tierra, el planeta dio un giro hacia la habitabilidad cuando un grupo de microbios aventureros 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 permitió que el oxígeno eventualmente se acumulara en la atmósfera y los océanos, lo que desencadenó un efecto dominó de diversificación y formación del planeta singularmente habitable que conocemos hoy.

Ahora, los científicos del MIT tienen una estimación precisa del tiempo de cianobacterias y oxígeno. FotosíntesisCrecí por primera vez. Sus resultados aparecen en Actas de la Royal Society b.

ellos desarrollaron un nuevo genUna técnica de análisis que muestra que todas las cianobacterias que viven en la actualidad se remontan a un ancestro común que surgió hace unos 2.900 millones de años. También encontraron que los antepasados ​​de las cianobacterias se separaron de otras bacterias hace unos 3.400 millones de años, y que la fotosíntesis oxigénica probablemente evolucionó en quinientos millones de años durante el Arqueo.

Curiosamente, esta estimación sitúa el surgimiento de la fotosíntesis oxigénica al menos 400 millones de años antes del evento de la Gran Oxidación, el 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 algún tiempo para que este oxígeno 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. «Aunque hay evidencia de la fotosíntesis oxigenada temprana, que es la innovación evolutiva verdaderamente asombrosa más importante en la Tierra, tomó cientos de millones de años para despegar».

Los coautores del MIT de Fournier son Kelsey Moore, Louise Tiberio-Rangel, Jack Payet, Lily Momber y Tanya Boussack.

¿Fusible lento o 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 ha existido durante 3.500 millones de años, una señal de que la fotosíntesis del oxígeno puede haber sido la fuente, aunque también son posibles otras fuentes.

Los investigadores también utilizaron la datación por reloj molecular, que utiliza la secuencia genética 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 los 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 tener explicaciones evolutivas contradictorias. Por ejemplo, algunos análisis sugieren que la fotosíntesis oxigenada se desarrolló muy temprano y se desarrolló «como una mecha lenta», mientras que otros sugieren que apareció mucho más tarde y luego «estalló como un incendio forestal» para desencadenar el Gran Evento de Oxidación y la acumulación de oxígeno en el océano bio.

«Para comprender la historia de la habitabilidad en la Tierra, es importante para nosotros distinguir entre estas hipótesis», dice.

genes horizontales

Para fechar con precisión el origen de las cianobacterias y la fotosíntesis oxigenada, Fournier y sus colegas emparejaron un reloj molecular que data de Transferencia horizontal de genesUn método independiente que no depende completamente de fósiles o supuestos de tasa.

Normalmente, un organismo hereda un gen que es «vertical», cuando se transmite del padre del organismo. En casos raros, un gen también puede saltar de una especie a otra especie relacionada lejanamente. Por ejemplo, puede comer otra célula y en el proceso incluir algunas células nuevas. genes en su genoma.

Cuando se encuentra tal historia de transferencia horizontal de genes, queda claro que el grupo de organismos que adquirió el gen es evolutivamente más pequeño que el grupo del que surgió el gen. Fournier concluyó que tales casos podrían usarse para determinar las edades relativas de ciertos grupos bacterianos. Las edades de estos grupos se pueden comparar con las edades predichas por diferentes modelos de reloj molecular. Es probable que el modelo más cercano sea el más preciso, y luego se puede usar 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 Bossac y Moore, para utilizar con mayor precisión cianobacterias fósiles como títulos. 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 de genes horizontal del equipo.

Fournier corrió este modelo para estimar la edad del grupo de cianobacterias «corona», que incluye a todas las especies que viven en la actualidad y son conocidas por su capacidad para fotosintetizar el oxígeno. Descubrieron que durante el Archaean, el grupo de la corona surgió hace unos 2.900 millones de años, mientras que las cianobacterias en su conjunto se separaron 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 habían estado produciendo oxígeno mucho antes de que se acumulara en la atmósfera.

El análisis también reveló que poco antes del gobierno egipcio, hace unos 2.400 millones de años, las cianobacterias experimentaron una ola de diversificación. Esto significa que la rápida expansión de las cianobacterias puede haber empujado a la Tierra hacia el GOE y liberado oxígeno a la atmósfera.

Fournier planea implementar la transferencia horizontal de genes a continuación cianobacterias Determinar el origen 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 la población en todo el árbol de la vida, incluso para microbios antiguos que no han dejado ningún registro fósil … lo que antes era imposible», dice Fournier.

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