El aumento de la duración del día pudo ser clave para crear el oxígeno de la Tierra

Si hubo un momento clave para la evolución de la vida en la Tierra fue el que tuvo lugar hace alrededor de 2400 millones de años, cuando la proliferación de billones de cianobacterias capaces de hacer la fotosíntesis llenaron la atmósfera de oxígeno. A partir de aquel momento, conocido como la “Gran Oxidación”, la Tierra se transformó lentamente en el planeta rico en oxígeno que conocemos hoy. Sin embargo, los científicos aún no tienen claro por qué el proceso se produjo tan paulatinamente ni los factores que intervinieron en aquel cambio que modificó la atmósfera para siempre y creó las reservas de oxígeno de las que hoy en día seguimos disfrutando.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan y del Instituto Max Planck de Microbiología Marina acaban de publicar un estudio en la revista Nature Geoscience en el que plantean una hipótesis revolucionaria: que los cambios en la duración del día y el aumento de las horas de luz fueron la clave para que las cianobacterias aumentaran su producción de oxígeno. 

La idea se materializó en la cabeza de  la geomicrobióloga Judith Klatt y su equipo cuando estudiaban los tapetes de cianobacterias en el sumidero de Middle Island en el lago Huron, en Michigan, donde estos microorganismos viven en condiciones que se asemejan a la Tierra primitiva. En este lugar, el agua subterránea se filtra fuera del fondo del lago, tiene muy poco oxígeno y las cianobacterias compiten con las bacterias blancas que oxidan el azufre, que bloquean el acceso a la luz durante unas horas. Cuando sale el sol por la mañana, los comedores de azufre se mueven hacia abajo y las cianobacterias suben a la superficie de la alfombra. 

“En ese momento pueden comenzar a realizar la fotosíntesis y producir oxígeno”, explica Klatt. “Sin embargo, pasan algunas horas antes de que realmente se pongan en marcha, hay un largo retraso en la mañana”, añade. “Parece que las cianobacterias son más de levantarse tarde que madrugadoras”. Como resultado, su tiempo para la fotosíntesis se limita a unas pocas horas al día. Cuando Brian Arbic, oceanógrafo físico de la Universidad de Michigan, se enteró de esta danza microbiana diaria, planteó una pregunta intrigante: “¿Podría esto significar que el cambio en la duración del día impactara en la fotosíntesis a lo largo de la historia de la Tierra?”.

La cambiante duración del día 

La duración del día en la Tierra no siempre ha sido de 24 horas. "Cuando se formó el sistema Tierra-Luna, los días eran mucho más cortos, posiblemente incluso tan cortos como seis horas", explica Arbic. Luego, la rotación de nuestro planeta se desaceleró debido al tirón de la gravedad de la Luna y la fricción de las mareas, y los días se alargaron. Algunos investigadores también sugieren que la desaceleración rotacional de la Tierra se interrumpió durante aproximadamente mil millones de años, coincidiendo con un largo período de bajos niveles globales de oxígeno. Después de esa interrupción, cuando la rotación de la Tierra comenzó a desacelerarse nuevamente hace unos 600 millones de años, ocurrió otra transición importante en las concentraciones globales de oxígeno.

Durante los días cortos, hay menos tiempo para que se desarrollen los gradientes y generar oxígeno

Después de advertir la asombrosa similitud entre el patrón de oxigenación de la Tierra y la tasa de rotación en escalas de tiempo geológicas, Klatt estaba fascinada con la idea de que podría haber un vínculo entre los dos, un vínculo que iba más allá del retraso de la fotosíntesis en las bacterias “perezosas” observado en el sumidero de Middle Island. “Me di cuenta de que la duración del día y la liberación de oxígeno de los tapetes microbianos están relacionadas por un hecho muy básico y fundamental: durante los días cortos, hay menos tiempo para que se desarrollen los gradientes y, por lo tanto, puede escapar menos oxígeno de los tapetes”, asegura Klatt.

Danzas acopladas

Para poner a prueba esta hipótesis, Klatt se asoció con Arjun Chennu, quien entonces también trabajaba en el Instituto Max Planck de Microbiología Marina. Mediante un software de código abierto desarrollado por Chennu para realizar simulaciones, ambos científicos investigaron cómo la dinámica de la luz solar se vincula con la liberación de oxígeno de los tapetes microbianos. “La intuición sugiere que dos días de 12 horas deberían ser similares a uno de 24 horas. 

La luz del sol sube y baja dos veces más rápido, y la producción de oxígeno sigue al mismo ritmo. Pero la liberación de oxígeno de las esteras bacterianas no lo hace, porque está limitada por la velocidad de difusión molecular. Este sutil desacoplamiento de la liberación de oxígeno de la luz solar está en el corazón del mecanismo”, explica Chennu en una nota de prensa de la Universidad de Michigan.

“Vinculamos la danza de las moléculas en la alfombra microbiana con la danza de nuestro planeta y su Luna”

Para comprender cómo los procesos que ocurren en un día pueden afectar la oxigenación a largo plazo, Klatt y su equipo incorporaron sus resultados en modelos globales de niveles de oxígeno. Y el análisis sugería que el aumento de la liberación de oxígeno debido al cambio de duración del día podría haber aumentado los niveles de oxígeno a nivel mundial. “Demostramos que existe un vínculo fundamental entre la duración del día y la cantidad de oxígeno que pueden liberar los microbios terrestres”, asegura Chennu. “Es muy emocionante. De esta manera vinculamos la danza de las moléculas en la alfombra microbiana con la danza de nuestro planeta y su Luna”.

Según sus conclusiones, los dos principales eventos de oxigenación (saltos en la concentración de oxígeno) en la historia de la Tierra, el Gran Evento de Oxidación hace más de dos mil millones de años y el posterior Evento de Oxigenación del Neoproterozoico, podrían estar relacionados con el aumento de la duración del día. Por lo tanto, este cambio podría haber aumentado la productividad neta bentónica lo suficiente como para afectar los niveles de oxígeno atmosférico. “Hacer juegos malabares con esta amplia gama de escalas temporales y espaciales fue alucinante y muy divertido”, concluye Klatt.   

Luces y sombras de la hipótesis

En opinión de Juli Peretó, investigador de la Universidad de Valencia y experto en el origen de la vida, se trata de un trabajo “muy original” que aporta una posible explicación a la historia peculiar del oxígeno atmosférico. El primer incremento de O₂ atmosférico, apunta, se produjo hace unos 2400 millones de años, pero "solo" supuso un nivel aproximadamente del 10% del actual. “Y luego sucedió lo que algunos han llamado "los mil millones aburridos" (the ‘boring bilion’, en inglés) en los que el nivel de oxígeno se mantuvo así de bajo”, recuerda. “Hasta que hace unos 600 millones de años volvió a aumentar poco a poco hasta el nivel actual”.

Un aspecto particularmente interesante del artículo, señala Peretó, es precisamente que las simulaciones muestran también ese segundo largo periodo en el que la duración del día se mantuvo constante, muy en paralelo al periodo aburrido. “Así que lo que proponen es que el efecto sobre los ecosistemas bacterianos de un cambio planetario como la velocidad de rotación tuvo un efecto global sobre la oxigenación de la atmósfera”, añade. “Como muchos han sugerido, solo hasta que se produjo ese segundo escalón no empezó la evolución macroscópica. O sea, que quizá nosotros estemos aquí porque el día se nos ha hecho lo suficientemente largo”.

"Quizá nosotros estemos aquí porque el día se nos ha hecho lo suficientemente largo”

El ecólogo microbiano y profesor de investigación del Centro Nacional de Biología (CNB-CSIC) Carlos Pedrós-Alió también cree que la hipótesis del estudio es “bonita y verosímil”, aunque hay montones de factores que habría que tener en cuenta y es un proceso de una gran complejidad. “Hay una aparente correlación entre la longitud del día y la aparición de oxígeno en la atmósfera, y se ve en esos dos periodos distintos, hace 2400 millones de años y hace 600 millones de años”, explica. “Esa correlación es llamativa, lo bonito es que los autores del estudio proponen un posible mecanismo para explicarla”. 

Sin embargo, añade Pedrós-Alió, el problema es que el modelado concreto es extraordinariamente complejo y hay que tomar un montón de asunciones que pueden ser ciertas o no. “Y eso hace que haya que tomarlo con mucha prudencia”, advierte. “Por ejemplo, ellos asumen que el oxígeno que se escapa de los tapetes microbianos hacia el agua no se respira, pero en el agua puede haber muchos organismos que también respiren”, apunta. “Y luego hay un factor que es que los microorganismos se adaptan y evolucionan”, señala. “Ellos están modelando con los microorganismos conocidos hoy en día, pero no sabemos si la situación era exactamente la misma o no cuando apareció la fotosíntesis oxigénica”.

El biólogo español Carlos Duarte, que investiga en la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah (KAUST), en Arabia Saudí, también observa los resultados con escepticismo. “Sobre todo porque se basa en asumir que el modelo de la gran oxigenación es una estera microbiana”, explica a Vozpópuli. “Sin embargo la mayor parte de la fotosíntesis sería pelágica por organismos planctónicos que ocupaban el océano, y que no estarían sujetos a las migraciones diarias que crean desfases en el ascenso de las cianobacterias y descenso de bacterias del azufre que usan los autores como modelo”.

Por este motivo, explica Duarte, el hecho de que el plancton marino no vea alterada la tasa neta de fotosíntesis con un día de 12 o de 24 horas, sería una posible inconsistencia de esta hipótesis. Pedrós-Alió coincide con Duarte en que los autores asumen que la mayor parte del oxígeno se producía en los tapetes microbianos, y es posible que también lo hubiera en la columna de agua. Eso quiere decir que “este mecanismo que ellos describen podría ser uno de los que intervinieron, pero quizá no fuera el único, y ni siquiera sabemos si fue el más importante”, concluye. "Ese el problema de volver al pasado, que no puedes hacer experimentos y tienes que hacer muchas asunciones y especulaciones".

Referencia: Possible link between Earth’s rotation rate and oxygenation (Nature Geoscience) DOI 10.1038/s41561-021-00784-3