Un buzo se acerca a roca cubierta con tapetes multicolores de bacterias.
Un buzo se acerca a rocas del Sumidero de Middle Island que están cubiertas con tapetes bacterianos. Experimentos muestran que las cianobacterias de estos tapetes liberan más oxígeno cuando están expuestos a periodos más largos de luz solar, sugiriendo que la longitud del día terrestre ha jugado un papel en la oxigenación del planeta. Crédito: Phil Hartmeyer, NOAA Santuario Marino Nacional Thunder Bay

This is an authorized translation of an Eos article. Esta es una traducción al español autorizada de un artículo de Eos.

Gregory Dick, profesor de ciencias de la Tierra y medioambientales en la Universidad de Michigan, acababa de terminar una conferencia una mañana de sábado en 2016 cuando un colega le realizó una pregunta.

Dick y la investigadora postdoctoral Judith Klatt estaban estudiando el rol de las cianobacterias en la oxigenación de la atmósfera terrestre hace miles de millones de años. Klatt, ahora en el Instituto Max Planck de microbiología marina, había encontrado que los tapetes de cianobacterias fotosintéticas comenzaban a liberar oxígeno al agua solo después de un largo retraso al comienzo del día, pues compiten con otros microbios por la luz solar.

Brian Arbic, oceanógrafo de Michigan que estaba en la conferencia, preguntó si el cambio en la longitud del día de la Tierra pudo haber afectado la fotosíntesis y por ende la cantidad de oxígeno liberado hacia la atmósfera. “Nunca había escuchado sobre el cambio en longitud del día”, recuerda Dick. “Nos emocionamos, y Judith y yo comenzamos a trabajar en el problema”.

“Es claro que la fotosíntesis es, y siempre ha sido, la única fuente significativa de oxígeno en nuestro planeta. Y la fotosíntesis oxigénica fue ‘inventada’ por cianobacterias.”

Cinco años después, Klatt, Arbic, Dick y colegas reportaron sus resultados en Nature Geoscience. El incremento en la longitud del día pudo haber jugado un papel principal en permitir a los tapetes cianobacterianos a bombear oxígeno al aire, preparando el escenario para el desarrollo de vida compleja.

“Una de las preguntas más predominantes en las Ciencias de la Tierra es cómo la Tierra se volvió el planeta rico en oxígeno en el que pudimos evolucionar”, dijo Klatt, autora principal del estudio. “Es claro que la fotosíntesis es, y siempre ha sido, la única fuente significativa de oxígeno en nuestro planeta. Y la fotosíntesis oxigénica fue ‘inventada’ por cianobacterias”.

Aunque el registro fósil indica que las cianobacterias aparecieron por primera vez en la Tierra hace al menos 3.5 mil millones de años, el oxígeno atmosférico no comenzó a aparecer hasta hace 2.4 miles de millones de años. Científicos se han preguntado porque hubo un largo retraso entre ambos eventos tan importantes.

Combinando experimentos, modelando

Klatt y sus colegas examinaron esa pregunta a través de una combinación de experimentos de laboratorio y modelados.

Para los experimentos, colectaron muestras de los tapetes bacterianos del fondo del sumidero de Middle Island, una cueva de caliza colapsada en el Lago Hurón, casi 3 kilómetros fuera de la costa noreste de la península baja de Michigan. Las condiciones en el sumidero se aproximan a aquellas de aguas costeras poco profundas de la Tierra hace miles de millones de años. Capas competitivas de microbios contienden por posiciones durante el día, siendo las cianobacterias moradas productoras de oxígeno las que se elevan a la capa más alta durante las mañanas.

Tapetes similares “pueden haber dominado las costas de la Tierra por mucho de su historia y fueron probablemente la arena para la fotosíntesis oxigénica”, dijo Klatt. “Hoy en día, sólo encontramos tapetes microbianos en ambientes extremos… Unos de esos lugares es el sumidero de Middle Island”.

“Ese es uno de esos lugares raros que podríamos llamar un proceso análogo”, dijo Woodward Fischer, profesor de geobiología en el Instituto de Tecnología de California que no estaba involucrado en la investigación. “Ellos no están observando un ambiente que es una réplica exacta [de los tapetes antiguos], sino que es un lugar donde están ocurriendo procesos que nos recuerdan a eso”.

En el laboratorio de Dick, el equipo expuso los tapetes a ciclos de día y noche de diferentes longitudes, correspondientes a la longitud del día en la Tierra en diferentes momentos en el pasado.

Judith Klatt raspa una muestra del tapete microbiano del Sumidero de Middle Island de un núcleo de sedimento hacia un tarro para su estudio. Crédito: Jim Erickson, Noticias de la Universidad de Michigan

Poco después de la formación de la Luna, hace más de 4 mil millones de años, el día era de solo 6 horas. Mareas lunares, sin embargo, funcionan como un freno, deteniendo la rotación de la Tierra y haciendo los días más largos. (Para equilibrar la balanza, la Luna se aleja de la Tierra; actualmente está retrocediendo aproximadamente a 3.8 centímetros por año).

Para 2.4 miles de millones de años atrás — tiempo que corresponde con el Gran Evento de Oxidación, el primer gran pulso de oxígeno en la atmósfera — el día se había extendido a 21 horas. Se mantuvo en esa longitud (posiblemente, Arbic dijo, por una marea atmosférica termal que contrarrestaba y que no estaba relacionada a las mareas lunares) por más de mil millones de años. Al final de ese periodo, las mareas lunares recuperaron el control, y el día se alargó de nuevo a 24 horas. Ese incremento corresponde al segundo gran salto en oxígeno atmosférico, el Evento Neoproterozoico de Oxigenación, hace 600 millones de años.

La longitud del día importa

Con un día más largo, más oxígeno se difundía por el agua.

Los experimentos mostraron que aunque la producción total de oxígeno por cianobacterias fotosintéticas era casi la misma sin importar la longitud del día, la física de la difusión limitó la cantidad de oxígeno que entraba el agua por hasta varias horas después del amanecer. Días cortos dejaban poco tiempo para que ese proceso sucediera —para el momento en que la fábrica de oxígeno cambiaba a altas velocidades, el Sol se estaba poniendo y era tiempo de apagarse por toda la noche. Pero, con un día más largo, más oxígeno se difundía por el agua.

“La cantidad total de luz solar es la misma sin importar si el día dura 16 horas o 24 horas o lo que fuera”, dijo Arbic. “Es solo que con un día más corto se prende y apaga más seguido. Como existe un retraso en el proceso, es por eso que importa si tienes un día más largo”.

Los investigadores entonces extendieron su trabajo al desarrollar un modelo general de sistemas de tapetes y condiciones de luz cambiante. El modelo consideraba la fisiología de varios sistemas de tapetes, tasas fotosintéticas diferentes y condiciones en la columna de agua, dentro de otros factores. “Todos los escenarios mostraron una dependencia en la productividad neta con longitud del día”, dijo Klatt.

“El modelado fue muy emocionante porque mostró que este mecanismo [para producir oxígeno] no tiene nada que ver con los comportamientos particulares del organismo en un sitio versus otro o en el mundo moderno versus el mundo antiguo”, dijo Dick. “Creemos que es un efecto muy robusto que debería operar donde sea que haya oxígeno siendo producido por estos tapetes microbianos”.

“Esta es parte de la imagen, pero no la imagen completa”, de la historia de oxigenación de la Tierra, dijo Fischer. “Este mecanismo se extiende solo a tapetes viviendo en el suelo marino y, no tenemos un registro geológico perfecto, pero es absolutamente parte de la imagen”.

—Damond Benningfield (damond5916@att.net) Escritor de ciencia

This translation by Edith Emilia Carriquiry Chequer (@eecarry) and Anthony Ramírez-Salazar (@Anthnyy) was made possible by a partnership with Planeteando. Esta traducción fue posible gracias a una asociación con Planeteando.

Text © 2021. The authors. CC BY-NC-ND 3.0
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