Investigación IMP de Microbiología Marina

Una desaceleración en la rotación de la Tierra podría haber afectado el contenido de oxígeno de la atmósfera.

5. Agosto 2021

La vida en la Tierra hoy depende de la presencia de oxígeno. Sin embargo, el proceso detrás del aumento gradual de los niveles de oxígeno en la atmósfera, que tuvo lugar durante casi dos mil millones de años, sigue siendo objeto de debate. Un equipo internacional de científicos que trabaja con Judith Klatt del Instituto Max Planck de Microbiología Marina en Bremen, propone una explicación intrigante: que el aumento de la duración del día, como resultado de la desaceleración de la rotación de la Tierra, puede haber permitido que los microbios liberen más oxígeno, creando así el aire que respira hoy.

Klatt trabajó junto con un equipo de investigadores alrededor de Greg Dick de la Universidad de Michigan. El agua en el sumidero de Middle Island, donde el agua subterránea se filtra fuera del fondo del lago, tiene muy poco oxígeno. “La vida en el fondo del lago es principalmente microbiana y sirve como un análogo funcional de las condiciones que prevalecieron en nuestro planeta durante miles de millones de años”, dice Bopi Biddanda, un ecólogo microbiano colaborador de la Universidad Estatal de Grand Valley. Los microbios son principalmente cianobacterias púrpuras productoras de oxígeno que compiten con las bacterias blancas que oxidan el azufre. Los primeros generan energía con la luz solar, los segundos con la ayuda de azufre. Para sobrevivir, estas bacterias realizan una pequeña danza todos los días:

La geomicrobióloga Judith Klatt, ex investigadora postdoctoral en el laboratorio de Greg Dick en la Universidad de Michigan y ahora en el Instituto Max Planck de Microbiología Marina, raspa una estera microbiana de la parte superior de un núcleo de sedimento recolectado en el sumidero de Middle Island en el lago Huron.
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La geomicrobióloga Judith Klatt, ex investigadora postdoctoral en el laboratorio de Greg Dick en la Universidad de Michigan y ahora en el Instituto Max Planck de Microbiología Marina, raspa una estera microbiana de la parte superior de un núcleo de sedimento recolectado en el sumidero de Middle Island en el lago Huron.



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Desde el anochecer hasta el amanecer, las bacterias que se alimentan de azufre se encuentran encima de las cianobacterias, bloqueando su acceso a la luz solar. 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. “Ahora pueden comenzar a realizar la fotosíntesis y producir oxígeno”, explicó Klatt. “Sin embargo, pasan algunas horas antes de que realmente se pongan en marcha, hay un largo retraso en la mañana. Parece que las cianobacterias no son muy madrugadoras ". Como resultado, su tiempo para la fotosíntesis se limita a unas pocas horas al día. Cuando Brian Arbic, un oceanógrafo físico de la Universidad de Michigan, se enteró de esta danza microbiana diel, planteó una pregunta intrigante: "¿Podría esto significar que el cambio de la duración del día habría impactado la fotosíntesis en la historia de la Tierra?"

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 duraban unas seis horas", explicó Arbic. Luego, la rotación de nuestro planeta se desaceleró debido al forcejeo 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.

Después de notar la asombrosa similitud entre el patrón de oxigenación de la Tierra y la tasa de rotación en escalas de tiempo geológicas, Klatt estaba fascinado con la idea de que podría haber un vínculo entre los dos, un vínculo que iba más allá del retraso de la fotosíntesis del "tardío" observado en el Medio Sumidero de la isla. “Me di cuenta de que la duración del día y la liberación de oxígeno de las esteras microbianas están relacionadas por un concepto 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 las esteras”, hipotetizó Klatt.

Klatt se asoció con Arjun Chennu, quien entonces también trabajaba en el Instituto Max Planck de Microbiología Marina y ahora dirige su propio grupo en el Centro Leibniz de Investigación Marina Tropical en Bremen. Basado en un software de código abierto desarrollado por Chennu para este estudio, investigaron cómo la dinámica de la luz solar se vincula con la liberación de oxígeno de las esteras. “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 ”, dijo Chennu.

Para comprender cómo los procesos que ocurren en un día pueden afectar la oxigenación a largo plazo, Klatt y sus colegas incorporaron sus resultados en modelos globales de niveles de oxígeno. El análisis sugiere 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. Es un vínculo entre la actividad de organismos diminutos y procesos globales. “Vinculamos las leyes de la física que operan a escalas muy diferentes, desde la difusión molecular hasta la mecánica planetaria. Demostramos que existe un vínculo fundamental entre la duración del día y la cantidad de oxígeno que pueden liberar los microbios terrestres ”, dijo Chennu. “Es muy emocionante. De esta manera vinculamos la danza de las moléculas en la estera microbiana con la danza de nuestro planeta y es la Luna ".

En general, 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 Neoproterozoica, podrían estar relacionados con el aumento de la duración del día. Por lo tanto, el aumento de la duración del día podría haber aumentado la productividad neta bentónica lo suficiente como para afectar los niveles de oxígeno atmosférico. “Hacer malabares con esta amplia gama de escalas temporales y espaciales fue alucinante y muy divertido”, concluye Klatt.

 
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