Descubiertas las estructuras bacterianas más antiguas que llenaron el planeta de oxígeno

La primera mitad de la historia de la vida en la Tierra la escribieron las bacterias. Y durante millones de años lo hicieron sin necesidad de oxígeno, ausente de la atmósfera de entonces. Ahora, se han descubierto las estructuras más antiguas que usaron algunos de estos microorganismos para llenar el planeta de oxígeno gaseoso, O₂. Una especie de hace unos 1.750 millones años tenía ya algo parecido a unas vesículas llamadas tilacoides que les permitía amplificar su capacidad para la fotosíntesis. Estos tilacoides siguen presentes en las cianobacterias, algas y plantas del planeta que convierten la luz del Sol en energía química.

La fotosíntesis fue un mecanismo genial por el que, en algún momento de los inicios de la vida en el planeta, las cianobacterias aprendieron a convertir la energía que llegaba del Sol en la energía química que necesitaban. En el proceso tomaban electrones de algún compuesto presente en su entorno. En una época de hace más de 2.400 millones de años, determinados grupos de cianobacterias aprendieron a realizar una forma particular de fotosíntesis, la oxigénica. Tomaban agua (H₂O), un combustible abundante, del que obtenían el hidrógeno necesario para asimilar el carbono del CO₂ de la atmósfera. En su metabolismo, liberaban el desecho sobrante, el oxígeno, que debió consumirse oxidando los minerales de las rocas. Pero en torno a hace 2.400 millones de años se produjo la llamada Gran Oxidación, por la que la atmósfera terrestre llegó a acumular hasta un 1% de O₂. Puede no parecer mucho (la concentración actual se acerca al 21%), pero entonces se pusieron las bases para una extraordinaria diversificación de los seres vivos.

Las cianobacterias fueron las responsables de aquel evento. Se han encontrado algunas en el registro fósil anteriores a la Gran Oxidación, pero lo que se acaba de descubrir es parte de su ingeniería. En un yacimiento de Australia, hallaron microfósiles de un microorganismo llamado Navifusa majensis, se creía que era una cianobacteria, pero no es fácil identificar un bichito como este, que apenas mide 25 micras (una micra es la milésima parte de un milímetro) compactado en un proceso de fosilización de 1.750 años. Tal y como detallan en un trabajo publicado en Nature, sus descubridoras han encontrado tilacoides en célula de la N. majensis. Estas vesículas contienen elementos fotosensibles que convierten la luz en energía química. Se habían descubierto cianobacterias que realizaban la fotosíntesis oxigénica, pero no tilacoides tan antiguos.

“Las cianobacterias son importantes porque el oxígeno que tenemos en el planeta es el resultado de la actividad estos organismos biológicos”

Patricia Sánchez Baracaldo, microbióloga de la Universidad de Bristol, Reino Unido

Estos tilacoides descubiertos ahora suponen la primera prueba directa de la fotosíntesis oxigénica con estas unidades básicas. Como cuenta la investigadora de la Universidad de Lieja (Bélgica) y autora sénior de la investigación, Emmmanuelle Javaux, el descubrimiento “muestra que las cianobacterias estaban produciendo activamente oxígeno hace 1.750 millones de años, por lo que en realidad los sedimentos de la Formación McDermott [en la región de Australia donde las han encontrado] no se formaron en un ambiente permanente o completamente anóxico”. Antes de la Gran Oxidación no debían de ser muchos los rincones, los nichos, donde la vida basada en el oxígeno tuviera refugio. Pero el escenario fue cambiando tras el evento. “Ahora estamos investigando en el registro fósil aún más antiguo para probar la hipótesis propuesta de que la aparición de membranas tilacoides pudo haber contribuido al aumento de oxígeno en torno a la Gran Oxidación y a la oxigenación permanente de la Tierra primitiva”, añade Javaux.

Patricia Sánchez Baracaldo, microbióloga de la Universidad de Bristol (Reino Unido), explica que “había oxígeno antes de la Gran Oxidación, pero eran reductos”. Para Sánchez Baracaldo, que investiga el origen bacteriano de la vida, “las cianobacterias son importantes porque el oxígeno que tenemos en el planeta es el resultado de la actividad de estos organismos biológicos”. La científica colombiana, que también investiga el origen de la fotosíntesis, recuerda que “el oxígeno no existía, las bacterias se inventaron como sacarle los electrones al agua rompiéndola y fue ese oxígeno el que se acumuló”. Y añade: “Por eso es importante determinar cuando apareció este tipo de fotosíntesis, algo que ha fascinado a los científicos y también a la gente porque sin oxígeno, la evolución no habría llevado hasta nosotros”.

Se han descrito unas 200 especies de cianobacterias y solo dos no tienen tilacoides. De hecho, las primeras cianobacterias no contaban con estas estructuras. Con ellas en sus membranas, estos microorganismos debieron ampliar su capacidad fotosintética y, por tanto, la generación de oxígeno. El nuevo elemento fue creando nuevos nichos ecológicos y, como destaca Sánchez Baracaldo, que no ha participado en este trabajo, “hubo organismos que probablemente comenzaron a aprender a respirar ese oxígeno, todos unicelulares”. La vida compleja aparece millones de años después, cuando la acumulación de O₂ es cada vez mayor, acelerada por al menos dos nuevos eventos similares posteriores a la Gran Oxidación. “El oxígeno se acumula tanto que se abre la posibilidad de que los animales evolucionen. Es entonces cuando aparecen los primeros eucariotas”. De estos primeros eucariotas, aún unicelulares, surgirían más tarde los que debieron engullir a algunas cianobacterias, iniciando el mayor ejemplo de endosimbiosis de la historia de la vida. De esos organismos con cianobacterias con tilacoides dentro surgirían los cloroplastos que permiten a algas y plantas realizar la misma fotosíntesis.

“En las cianobacterias con tilacoides se multiplica la superficie de membrana de manera muy importante y, por tanto, la capacidad fotosintética de la célula”

Purificación López, investigadora de la Universidad de París-Saclay, Francia

La investigadora del CNRS - Centre National de la Recherche Scientifiquela (Francia), Purificación López, ajena a este estudio, recuerda dónde reside la importancia de los tilacoides: “Aumentan la superficie donde se encuentran los fotosistemas, donde se puede hacer la fotosíntesis”. Hay otros grupos de cianobacterias que no tienen estas estructuras y realizan la fotosíntesis en la membrana externa. “En las cianobacterias con tilacoides, se multiplica la superficie de membrana de manera muy importante y, por tanto, la capacidad fotosintética de la célula. Lo relevante de esta investigación es que ven esos tilacoides fosilizados. Es un nivel de conservación de 1.700 millones de años asombroso”, añade la microbióloga española, profesora en la Universidad de París-Saclay.

En cierto sentido, la Gran Oxidación protagonizada por las cianobacterias presenta paralelismos con el evento K–Pg, la extinción masiva de vida animal por el impacto de un meteorito hace 66 millones de años. Si en el evento K-Pg se crearon las condiciones para la diversificación de los mamíferos, entonces unos pequeños animalitos, en la Gran Oxidación, se pusieron las bases para la llegada de los organismos multicelulares, de la vida compleja. A López le gusta la analogía, pero rechaza un aspecto esencial de la misma: “Durante la Gran Oxidación de la atmósfera no hay extinción. Seguramente se crearon nuevos hábitats oxigenados, donde efectivamente hay una diversificación de organismos fotosintéticos oxigénicos y de organismos aerobios que usan el oxígeno. Pero los otros no desaparecieron, siguen existiendo en lugares donde no hay oxígeno, y sigue habiendo organismos fotosintéticos anoxigénicos en lagos, en sedimentos, en tapetes microbianos y sigue habiendo una biología anaerobia muy importante, incluso en nuestro intestino, el microbioma”.

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