Los días más largos llevaron a la acumulación de oxígeno en la Tierra primitiva: estudio

ARRIBA: Esteras microbianas moradas en el sumidero de Middle Island en el lago Huron. Las pequeñas colinas y los dedos como este en las esteras son causados por gases como el metano y el sulfuro de hidrógeno que burbujean debajo de ellos.PHIL HARTMEYER, NOAA THUNDER BAY, NATIONAL MARINE SANCTUARY

Hace miles de millones de años, la Tierra carecía de oxígeno. -atmósfera rica que hoy sustenta la mayor parte de la vida en el planeta. Cómo el aire lentamente se volvió respirable sigue siendo una pregunta sin respuesta, pero en un estudio publicado ayer (2 de agosto) en Nature Geoscience, los investigadores están presentando una hipótesis novedosa: que la rotación gradualmente más lenta de la Tierra, que condujo a días más largos, permitió que las cianobacterias fotosintetizadoras bombearan más oxígeno a la atmósfera que antes.

Una pregunta persistente en las ciencias de la Tierra ha sido cómo obtuvo la atmósfera de la Tierra su oxígeno y qué factores controlaron cuando esto la oxigenación tuvo lugar, dice el geomicrobiólogo de la Universidad de Michigan y coautor del estudio, Gregory Dick, en un comunicado de prensa. 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.

Durante miles de millones de años, la mayor parte de la vida en la Tierra (en gran parte microbios unicelulares como las bacterias) respiraron dióxido de carbono. Las cianobacterias fueron algunos de los primeros organismos en desarrollar la fotosíntesis, que implica absorber dióxido de carbono y producir oxígeno como subproducto, y los científicos han creído durante mucho tiempo que estos microbios pueden haber estado involucrados en la producción temprana de oxígeno en la Tierra. Pero los estudios de modelado nunca pudieron conciliar cuánto contribuyeron las cianobacterias a eventos de oxigenación más grandes en el pasado de los planetas, como el Gran Evento de Oxigenación (GOE) que tuvo lugar hace 2.400 millones de años e impulsó el cambio de la Tierra a una atmósfera aeróbica, ni los investigadores pudieron discernir por qué los primeros fósiles de microbios fotosintéticos están separados del GOE en el registro geológico por aproximadamente mil millones de años.

En 2016, el coautor del estudio Brian Arbic, oceanógrafo de la Universidad de Michigan, asistió a una charla sobre cianobacterias trabajo realizado por Judith Klatt, entonces estudiante de postdoctorado en la Universidad de Michigan y ahora biogeoquímica en el Instituto Max Planck de Microbiología Marina. Los miembros de los dos laboratorios comenzaron a conversar y se dieron cuenta de que estos grandes cambios en el oxígeno atmosférico se correspondían con cambios en la rapidez con la que la Tierra giraba alrededor de su eje. Hace cuatro mil quinientos millones de años, por ejemplo, la Tierra giraba más rápido y un día tenía solo seis horas. Dos mil millones de años más tarde, alrededor de la época del GOE, que elevó el oxígeno atmosférico de cantidades insignificantes al 20 por ciento de los valores actuales, Associated Press informa que el planeta se había ralentizado y un día marcaba las 21 horas.

Para determinar cómo las cianobacterias podrían encajar en esta asociación entre el giro de la Tierra y el oxígeno creciente en la atmósfera, Arbic, Klatt y sus colegas buscaron cianobacterias que crecieran en un entorno químicamente similar al que podría haber sido la Tierra justo antes del GOE. Lo encontraron en el lago Huron, en el fondo del sumidero de 80 pies de Middle Island, donde gruesas capas de cianobacterias crecen en un ambiente pobre en oxígeno y utilizan azufre, en lugar de la luz solar, como fuente de energía. De hecho, imaginamos que el mundo se parecía al sumidero de Middle Island durante la mayor parte de su historia, le dice Klatt a la AP.

Un buzo observa los microbios morados, blancos y verdes que cubren las rocas en el sumidero de Middle Island del lago HuronsPhil Hartmeyer , NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary

Los investigadores llevaron las esteras al laboratorio, donde las expusieron a la luz entre 12 y 24 horas. Cuanto más tiempo se permitía la fotosíntesis de las esteras, más oxígeno liberaban. Al conectar los números en un modelo, el equipo calculó la cantidad de oxígeno que las cianobacterias podrían haber contribuido a nivel mundial y vinculó esa cantidad a los cambios en la duración del día. Ambas variables se rastrearon entre sí: GOE, por ejemplo, se correspondió con una duración del día de 21 horas que se estabilizó durante aproximadamente mil millones de años, hasta que las perturbaciones en el giro de la Tierra causadas en parte por la fricción de las mareas y las interacciones planetarias con la luna llevaron a días aún más largos. y un puñado de cambios menores posteriores en los niveles de oxígeno atmosférico, incluido el evento de oxigenación neoproterozoica y el evento de oxidación paleozoica. Al igual que en los experimentos de laboratorio, las cianobacterias pudieron producir más oxígeno del que consumían a medida que pasaban los días.

El aumento de oxígeno [en la Tierra] es fácilmente el cambio ambiental más sustancial de la historia. de nuestro planeta, le dice a Science Woodward Fischer, un geobiólogo de CalTech que no participó en el estudio. El trabajo actual representa un sabor totalmente nuevo de una idea. Está haciendo una conexión que la gente no ha hecho antes.

Timothy Lyons, un biogeoquímico de la Universidad de California, Riverside, le dice a Science que este hallazgo también ayuda a explicar esa brecha confusa entre fósiles de cianobacterias y acumulación de oxígeno en la atmósfera. Debido a que la duración del día todavía era tan corta en el pasado antiguo, las cianobacterias esencialmente consumían tanto oxígeno durante la noche durante la respiración como el que producían durante el día. Los días más largos inclinaron ese equilibrio y permitieron que se acumulara oxígeno. Los días largos simplemente permiten que escape más oxígeno a las aguas suprayacentes y eventualmente a la atmósfera, dice Lyons.

Otros investigadores, como Benjamin Mills, modelador del sistema terrestre en la Universidad de Leeds, dicen que otros factores, como los cambios en los niveles de minerales que se unen al oxígeno de los volcanes antiguos, también pueden haber contribuido a la oxigenación temprana. Sin embargo, cambiar la duración del día es algo que debe considerarse con más detalle, le dice a Science. Intentaré agregarlo a nuestros modelos del sistema terrestre.