El aumento de los niveles de oxígeno al principio de la historia de la Tierra allanó el camino para la espectacular diversidad de la vida animal. Pero durante décadas, los científicos han luchado por explicar los factores que controlaban este proceso gradual y escalonado, que se desarrolló durante casi 2 mil millones de años.
Ahora, un equipo de investigación internacional propone que aumentar la duración del día en la Tierra primitiva el giro del planeta joven se ralentizó gradualmente con el tiempo, alargando los días puede haber aumentado la cantidad de oxígeno liberado por las cianobacterias fotosintéticas, dando forma ael momento de la oxigenación de la Tierra.
Su conclusión se inspiró en un estudio de las comunidades microbianas actuales que crecen en condiciones extremas en el fondo de un sumidero sumergido del lago Huron, a 80 pies por debajo de la superficie del agua. El agua en el sumidero de Middle Island es rica en azufre y baja enoxígeno, y las bacterias de colores brillantes que prosperan allí se consideran buenos análogos de los organismos unicelulares que formaron colonias en forma de alfombra hace miles de millones de años, alfombrando las superficies del suelo y del lecho marino.
Los investigadores muestran que una mayor duración del día aumenta la cantidad de oxígeno liberado por las esteras microbianas fotosintéticas. Ese hallazgo, a su vez, apunta a un vínculo previamente no considerado entre la historia de oxigenación de la Tierra y su tasa de rotación. Mientras que la Tierra ahora gira sobre su eje una vezcada 24 horas, la duración del día fue posiblemente tan breve como 6 horas durante la infancia del planeta.
Los hallazgos del equipo están programados para su publicación el 2 de agosto en la revista Nature Geoscience.
Los autores principales son Judith Klatt del Instituto Max Planck de Microbiología Marina y Arjun Chennu del Centro Leibniz de Investigación Marina Tropical. Klatt es un ex investigador postdoctoral en el laboratorio del geomicrobiólogo Gregory Dick de la Universidad de Michigan, quien es uno de losdos autores correspondientes. Los otros coautores son de UM y Grand Valley State University.
"Una pregunta constante en las ciencias de la Tierra ha sido cómo la atmósfera de la Tierra obtuvo su oxígeno y qué factores controlaron cuando tuvo lugar esta oxigenación", dijo Dick desde la cubierta del R / V Storm, un buque de investigación de la NOAA de 50 pies.que llevó a un equipo de científicos y buzos en un viaje de recolección de muestras desde la ciudad de Alpena, Michigan, hasta el Sumidero de Middle Island, a varias millas de la costa.
"Nuestra investigación sugiere que la velocidad a la que gira la Tierra, en otras palabras, la duración del día, puede haber tenido un efecto importante en el patrón y el momento de la oxigenación de la Tierra", dijo Dick, profesor de la UMDepartamento de Ciencias de la Tierra y Ambientales.
Los investigadores simularon la desaceleración gradual de la velocidad de rotación de la Tierra y demostraron que los días más largos habrían aumentado la cantidad de oxígeno liberado por las primeras esteras de cianobacterias de una manera que ayuda a explicar los dos grandes eventos de oxigenación del planeta.
El proyecto comenzó cuando el coautor Brian Arbic, oceanógrafo físico del Departamento de Ciencias de la Tierra y el Medio Ambiente de la UM, escuchó una conferencia pública sobre el trabajo de Klatt y señaló que los cambios en la duración del día podrían desempeñar un papel, durante el tiempo geológico, en la fotosíntesishistoria que estaba desarrollando el laboratorio de Dick.
Las cianobacterias tienen mala reputación en estos días porque son las principales culpables de las floraciones de algas tóxicas y antiestéticas que plagan el lago Erie y otros cuerpos de agua en todo el mundo.
Pero estos microbios, antes conocidos como algas verdiazules, han existido durante miles de millones de años y fueron los primeros organismos en descubrir cómo capturar energía de la luz solar y usarla para producir compuestos orgánicos a través de la fotosíntesis, liberando oxígeno como unsubproducto.
A las masas de estos organismos simples que viven en los mares primitivos se les atribuye la liberación de oxígeno que más tarde permitió la aparición de animales multicelulares. El planeta se transformó lentamente de uno con cantidades extremadamente pequeñas de oxígeno a los niveles atmosféricos actuales de alrededor del 21%.
En el sumidero de Middle Island en el lago Huron, las cianobacterias púrpuras que producen oxígeno compiten con las bacterias blancas que oxidan el azufre que utilizan azufre, no la luz solar, como su principal fuente de energía.
En una danza microbiana que se repite a diario en el fondo del sumidero de Middle Island, láminas transparentes de microbios púrpuras y blancos se mueven en posición a medida que avanza el día y las condiciones ambientales cambian lentamente. Las bacterias blancas que comen azufre cubren físicamente a las cianobacterias púrpuras enpor la mañana y por la noche, bloqueando su acceso a la luz solar e impidiéndoles realizar la fotosíntesis productora de oxígeno.
Pero cuando los niveles de luz solar aumentan a un umbral crítico, las bacterias oxidantes de azufre migran hacia abajo por debajo de las cianobacterias fotosintéticas, lo que les permite comenzar a producir oxígeno.
La migración vertical de bacterias oxidantes de azufre se ha observado antes. Lo nuevo es que los autores del estudio Nature Geoscience son los primeros en vincular estos movimientos microbianos y las tasas resultantes de producción de oxígeno con la duración cambiante del día a lo largo de la historia de la Tierra..
"Dos grupos de microbios en las esteras de los sumideros de Middle Island compiten por la posición más alta, con bacterias oxidantes de azufre que a veces dan sombra a las cianobacterias fotosintéticamente activas", dijo Klatt mientras procesaba una muestra del núcleo de las esteras microbianas de Middle Island Sinkhole en un laboratorio de Alpena."Es posible que un tipo similar de competencia entre microbios contribuyó al retraso en la producción de oxígeno en la Tierra primitiva".
Una clave para comprender el vínculo propuesto entre el cambio de la duración del día y la oxigenación de la Tierra es que los días más largos extienden el período de luz alta de la tarde, lo que permite que las cianobacterias fotosintéticas produzcan más oxígeno.
"La idea es que con una duración del día más corta y una ventana más corta para condiciones de mucha luz en la tarde, esas bacterias blancas que comen azufre estarían encima de las bacterias fotosintéticas durante grandes porciones del día, limitando la producción de oxígeno".Dick dijo mientras el bote se balanceaba en aguas agitadas, amarrado a un par de cientos de yardas de Middle Island.
Se cree que los microbios actuales del lago Huron son buenos análogos de los organismos antiguos, en parte porque el ambiente extremo en el fondo del sumidero de Middle Island probablemente se asemeja a las duras condiciones que prevalecían en los mares poco profundos de la Tierra primitiva.
El lago Huron se sustenta sobre un lecho de roca caliza, dolomita y yeso de 400 millones de años de antigüedad que se formó a partir de los mares de agua salada que una vez cubrieron el continente. Con el tiempo, el movimiento del agua subterránea disolvió parte de ese lecho rocoso, formando cuevas y grietas queluego colapsó para crear sumideros en tierra y sumergidos cerca de Alpena.
Hoy en día, el agua subterránea fría, pobre en oxígeno y rica en azufre se filtra en el fondo del sumidero de Middle Island de 300 pies de diámetro, alejando a la mayoría de las plantas y animales, pero creando un hogar ideal para ciertos microbios especializados.
El equipo de Dick, en colaboración con el coautor Bopaiah Biddanda del Annis Water Resources Institute en Grand Valley State University, ha estado estudiando las esteras microbianas en el piso de Middle Island Sinkhole durante varios años, utilizando una variedad de técnicas.ayuda de los buceadores del Santuario Marino Nacional Thunder Bay de la NOAA, que es mejor conocido por sus naufragios pero también alberga el Sumidero de Middle Island y varios otros similares, los investigadores desplegaron instrumentos en el fondo del lago para estudiar la química y la biologíaallí.
También llevaron muestras de tapete al laboratorio para realizar experimentos en condiciones controladas.
Klatt planteó la hipótesis de que el vínculo entre la duración del día y la liberación de oxígeno se puede generalizar a cualquier ecosistema de esterillas determinado, basándose en la física del transporte de oxígeno. Se asoció con Chennu para realizar estudios de modelado detallados para relacionar los procesos de esterilla microbiana con patrones a escala terrestresobre escalas de tiempo geológicas.
Los estudios de modelos revelaron que la duración del día, de hecho, da forma a la liberación de oxígeno de las esteras.
"Simplemente hablando, hay menos tiempo para que el oxígeno abandone el tapete en días más cortos", dijo Klatt.
Esto llevó a los investigadores a postular un posible vínculo entre la duración de los días más largos y el aumento de los niveles de oxígeno atmosférico. Los modelos muestran que este mecanismo propuesto podría ayudar a explicar el patrón escalonado distintivo de la oxigenación de la Tierra, así como la persistencia de períodos de bajo oxígeno a lo largo dela mayor parte de la historia del planeta.
A lo largo de la mayor parte de la historia de la Tierra, el oxígeno atmosférico estuvo escasamente disponible y se cree que ha aumentado en dos grandes pasos. El Gran Evento de Oxidación ocurrió hace unos 2.400 millones de años y generalmente se le atribuye a las primeras cianobacterias fotosintetizadoras. Casi 2.000 millones de añosmás tarde se produjo un segundo aumento de oxígeno, conocido como el evento de oxigenación neoproterozoica.
La tasa de rotación de la Tierra ha ido disminuyendo lentamente desde que el planeta se formó hace unos 4.600 millones de años debido al tirón implacable de la gravedad de la luna, que crea fricción de marea.
El estudio fue financiado por subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias, la Sociedad Max Planck y la Beca Turner de la Universidad de Michigan. Las operaciones de campo fueron apoyadas por el Laboratorio de Investigación Ambiental de los Grandes Lagos de la NOAA y el Santuario Marino Nacional Thunder Bay de la NOAA.
Video: http://www.youtube.com/watch?v=93sBj0CMuRA
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