Centrarse en los orígenes de la «innovación evolutiva más importante» de la Tierra

En algún momento de la historia antigua 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 permitió que el oxígeno finalmente se acumulara en la atmósfera y los océanos, lo que provocó un efecto dominó de diversificación y dio forma al planeta habitable que conocemos hoy.

Ahora, los científicos del MIT tienen una estimación precisa del origen de las cianobacterias y la fotosíntesis oxigenada. Sus hallazgos aparecen hoy en las Actas de la Royal Society B.

Desarrollaron una nueva técnica de análisis genético 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 oxigenada probablemente evolucionó durante los quinientos millones de años intermedios durante el Eón Arcaico.

Curiosamente, esta estimación sitúa la aparición de la fotosíntesis oxigenada al menos 400 millones de años antes del Gran Evento de Oxidación, una época en la 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 al 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. «Si bien hay evidencia de la fotosíntesis oxigenada temprana, que es el avance evolutivo más importante y verdaderamente asombroso en la Tierra, todavía tomó cientos de millones de años para despegar».

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

¿Fusible lento o fuego?

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 encontraron pistas 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 utilizaron 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 del reloj molecular está limitada por la calidad de los fósiles antiguos y el modelo de velocidad elegido, que puede producir diferentes estimaciones de la edad, dependiendo de la velocidad asumida.

Fournier afirma 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 acumulación de oxígeno. en la biosfera.

«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 combinaron la datación por reloj molecular con la transferencia horizontal de genes, un método independiente que no se basa completamente en fósiles o suposiciones de tejones.

Normalmente, un organismo hereda un gen «verticalmente» 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, una célula puede comerse a otra y en el proceso incorporar algunos genes nuevos a su genoma.

Cuando se encuentra tal historia de transferencia genética horizontal, 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 argumentó que tales casos podrían usarse para determinar edades relativas entre ciertos grupos bacterianos. Las edades de estos grupos podrían compararse con las edades predichas por varios modelos de reloj molecular. El modelo más cercano probablemente sería el más preciso y, por lo tanto, podría usarse para estimar con precisión la edad de otras especies bacterianas, particularmente 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. Finalmente, identificaron 34 casos claros de transferencia genética horizontal. Luego encontraron que uno de cada seis patrones de reloj molecular coincidía consistentemente con las edades relativas identificadas en el análisis de transferencia de genes horizontal del equipo.

Fournier realizó este modelo para estimar la edad del grupo «corona» de cianobacterias, que incluye todas las especies que viven hoy y que se sabe que exhiben fotosíntesis oxigenada. Descubrieron que, durante el Archean Aeon, el grupo 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 habían estado produciendo oxígeno mucho antes de que se acumulara en la atmósfera.

El análisis también reveló que, justo antes del GOE, hace unos 2.400 millones de años, las cianobacterias experimentaron una explosión de diversificación. Esto implica que una rápida expansión de las cianobacterias puede haber derribado la Tierra en el GOE y haber lanzado oxígeno a la atmósfera.

Fournier planea aplicar la transferencia horizontal de genes más allá de las cianobacterias para definir los orígenes de otras especies escurridizas.

«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 rastros fósiles … algo que antes era imposible». dice Fournier.

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