La fotosíntesis con oxígeno pudo surgir hace 3.500 millones de años

Los microbios pudieron evolucionar para hacer la fotosíntesis que produce oxígeno al menos mil millones de años antes en la historia de la Tierra de lo que se pensaba. El hallazgo podría cambiar las ideas de cómo y cuándo evolucionó la vida compleja en la Tierra, y con qué probabilidad puede evolucionar en otros planetas. El oxígeno en la atmósfera de la Tierra es necesario para formas de vida complejas, que lo utilizan durante la respiración aeróbica para generar energía.

Los niveles de oxígeno aumentaron dramáticamente en la atmósfera hace alrededor de 2.400 millones de años, pero se ha debatido por qué sucedió entonces. Algunos científicos piensan que fue entonces cuando los organismos llamados cianobacterias evolucionaron por primera vez, haciendo la fotosíntesis que produce oxígeno. Otros científicos piensan que las cianobacterias evolucionaron mucho antes de hace 2.400 millones de años, pero algo impidió que el oxígeno se acumulara en el aire.

La fotosíntesis con oxígeno pudo surgir hace 3.500 millones de años

Las cianobacterias realizan una forma relativamente sofisticada de fotosíntesis oxigenada: el mismo tipo de fotosíntesis que todas las plantas en la actualidad. Por lo tanto, se ha sugerido que formas más simples de fotosíntesis oxigénicas podrían haber existido antes, antes de las cianobacterias, lo que lleva a niveles bajos de oxígeno disponibles para la vida.

Ahora, un equipo de investigación dirigido por el Imperial College de Londres descubrió que la fotosíntesis oxigénica surgió al menos mil millones de años antes de que evolucionara la cianobacteria. Sus resultados, publicados en la revista Geobiology, muestran que la fotosíntesis oxigénica podría haber evolucionado muy temprano en la historia de 4.500 millones de años de la Tierra.

El autor principal, Tanai Cardona, del Departamento de Ciencias de la Vida de Imperial, dijo en un comunicado: "Sabemos que las cianobacterias son muy antiguas, pero no sabemos exactamente cuánto. Si las cianobacterias tienen, por ejemplo, 2.500 millones de años, significaría que la fotosíntesis osigénica podría haber comenzado hace 3.500 millones de años. Esto sugiere que no sería necesario el paso de millones de años para que un proceso como la fotosíntesis oxigénica comience después del origen de la vida".

Otros científicos piensan que las cianobacterias evolucionaron mucho antes de hace 2.400 millones de años, pero algo impidió que el oxígeno se acumulara en el aire.

Si la fotosíntesis oxigénica evolucionó pronto, podría significar que es un proceso relativamente simple para evolucionar. La probabilidad de que emerja una vida compleja en un exoplaneta distante puede ser bastante alta. Es difícil para los científicos descubrir cuándo evolucionaron los primeros productores de oxígeno utilizando el registro de rocas en la Tierra. Cuanto más viejas son las rocas, más raras son, y más difícil es demostrar de manera concluyente que cualquier microbio fósil encontrado en estas rocas antiguas usó o produjo cualquier cantidad de oxígeno.

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En su lugar, el equipo investigó la evolución de dos de las principales proteínas involucradas en la fotosíntesis oxigénica.

En la primera etapa de la fotosíntesis, las cianobacterias utilizan la energía de la luz para dividir el agua en protones, electrones y oxígeno con la ayuda de un complejo de proteínas llamado fotosistema II. El fotosistema II está formado por dos proteínas llamadas D1 y D2. Originalmente, las dos proteínas eran iguales, pero aunque tienen estructuras muy similares, sus secuencias genéticas subyacentes ahora son diferentes.

Esto muestra que D1 y D2 han evolucionado por separado: en las cianobacterias y las plantas solo comparten el 30 por ciento de su secuencia genética. Incluso en su forma original, D1 y D2 hubieran podido realizar la fotosíntesis oxigénica, por lo que saber cuánto tiempo atrás fueron idénticos podría revelar cuándo evolucionó esta habilidad por primera vez. Para descubrir la diferencia en el tiempo entre D1 y D2 que son 100 por ciento idénticos, y que solo son 30 por ciento iguales en cianobacterias y plantas, el equipo determinó con qué rapidez estaban cambiando las proteínas, su tasa de evolución.

Usando métodos estadísticos poderosos y eventos conocidos en la evolución de la fotosíntesis, determinaron que las proteínas D1 y D2 en el fotosistema II evolucionaron de manera extremadamente lenta, incluso más lenta que algunas de las proteínas más antiguas en biología que se cree que se encuentran en las formas más tempranas de vida. A partir de esto, calcularon que el tiempo entre las proteínas D1 y D2 idénticas y las versiones similares del 30 por ciento en cianobacterias y plantas es de al menos mil millones de años, y podría ser más que eso.

Cardona dijo: "Por lo general, la aparición de la fotosíntesis oxigénica y las cianobacterias se considera lo mismo. Por lo tanto, para averiguar cuándo se estaba produciendo oxígeno por primera vez, los investigadores han tratado de descubrir cuándo evolucionó la cianobacteria. "Nuestro estudio, en cambio, muestra que la fotosíntesis por oxígeno probablemente comenzó mucho antes de que surgiera el ancestro más reciente de las cianobacterias. Esto está de acuerdo con los datos geológicos actuales que sugieren que antes de tres mil millones de años era posible el olor a oxígeno o las acumulaciones localizadas de oxígeno.

"Por lo tanto, el origen de la fotosíntesis oxigénica y el antepasado de las cianobacterias no representan lo mismo. Podría haber una brecha muy grande en el tiempo entre una y otra. Es un cambio masivo en la perspectiva". Ahora, el equipo está tratando de recrear cómo era el fotosistema antes de que D1 y D2 evolucionaran en primer lugar. Usando la variación conocida en los códigos genéticos del fotosistema en todas las especies vivas hoy en día, están tratando de recomponer el código genético del fotosistema ancestral.

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