Hace tres mil quinientos millones de años, La Tierra albergaba vida, pero fue apenas sobreviviendo, o prosperando? Un nuevo estudio realizado por un equipo multiinstitucional con liderazgo que incluye el Earth-Life Science Institute (ELSI) del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) proporciona nuevas respuestas a esta pregunta. El metabolismo microbiano se registra en miles de millones de años de proporciones de isótopos de azufre que concuerdan con las predicciones de este estudio. sugiriendo que la vida floreció en los océanos antiguos. Usando estos datos, los científicos pueden vincular más profundamente el registro geoquímico con los estados celulares y la ecología.

Los científicos quieren saber cuánto tiempo ha existido la vida en la Tierra. Si ha existido durante casi tanto tiempo como el planeta, esto sugiere que es fácil que la vida se origine y, por lo tanto, debería ser común en el universo. Si tarda mucho en originarse, esto sugiere que tuvieron que ocurrir condiciones muy especiales. Dinosaurios cuyos huesos se presentan en museos de todo el mundo, fueron precedidos por miles de millones de años por microbios. Si bien los microbios han dejado alguna evidencia física de su presencia en el registro geológico antiguo, no se fosilizan bien, por tanto, los científicos utilizan otros métodos para comprender si la vida estaba presente en el registro geológico.

Ahora, la evidencia más antigua de vida microbiana en la Tierra nos llega en forma de isótopos estables. Los elementos químicos representados en la tabla periódica se definen por el número de protones en sus núcleos. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno tienen un protón, los átomos de helio tienen dos, Los átomos de carbono contienen seis. Además de los protones, la mayoría de los núcleos atómicos también contienen neutrones, que son tan pesados ​​como protones, pero que no llevan carga eléctrica. Átomos que contienen el mismo número de protones, pero números variables de neutrones, se conocen como isótopos. Si bien muchos isótopos son radiactivos y, por lo tanto, se descomponen en otros elementos, algunos no sufren tales reacciones; estos se conocen como isótopos "estables". Por ejemplo, los isótopos estables de carbono incluyen carbono 12 (escrito como 12C para abreviar, con 6 protones y 6 neutrones) y carbono 13 (13C, con 6 protones y 7 neutrones).

Todos los seres vivos, incluidos los humanos, "comer y excretar". Es decir, ingieren alimentos y expulsan desechos. Los microbios a menudo comen compuestos simples disponibles por el medio ambiente. Por ejemplo, algunos pueden absorber dióxido de carbono (CO ₂ ) como fuente de carbono para construir sus propias células. CO de origen natural ₂ tiene una relación bastante constante de 12C a 13C. Sin embargo, 12CO ₂ es aproximadamente un 2 por ciento más ligero que el 13CO ₂ , entonces 12CO ₂ las moléculas se difunden y reaccionan un poco más rápido, y así los propios microbios se vuelven "isotópicamente ligeros, "que contiene más de 12C que de 13C, y cuando mueren y dejan sus restos en el registro fósil, su firma isotópica estable permanece, y es medible. La composición isotópica, o "firma, "Estos procesos pueden ser muy específicos de los microbios que los producen.

Además del carbono, hay otros elementos químicos esenciales para los seres vivos. Por ejemplo, azufre, con 16 protones, tiene tres isótopos estables naturalmente abundantes, ³² S (con 16 neutrones), ³³ S (con 17 neutrones) y ³⁴ S (con 18 neutrones). Los patrones de isótopos de azufre que dejan los microbios registran la historia del metabolismo biológico basado en compuestos que contienen azufre hasta hace unos 3.500 millones de años.

Cientos de estudios previos han examinado amplias variaciones en las proporciones de isótopos de azufre antiguos y contemporáneos resultantes del metabolismo del sulfato (un compuesto de azufre natural unido a cuatro átomos de oxígeno). Muchos microbios pueden usar sulfato como combustible, y en el proceso excretar sulfuro, otro compuesto de azufre (Figura 1). El "desperdicio" de sulfuro del antiguo metabolismo microbiano se almacena en el registro geológico, y sus proporciones de isótopos se pueden medir analizando minerales como el mineral pirita FeS2 que se muestra en la Figura 2.

Este nuevo estudio revela un paso de control biológico primario en el metabolismo microbiano del azufre, y aclara qué estados celulares conducen a qué tipos de fraccionamiento de isótopos de azufre. Esto permite a los científicos vincular el metabolismo con los isótopos:al saber cómo cambia el metabolismo las proporciones de isótopos estables, los científicos pueden predecir la firma isotópica que los organismos deberían dejar atrás.

Este estudio proporciona parte de la primera información sobre la fuerza con la que se metabolizaba la vida antigua. El metabolismo microbiano del sulfato se registra en más de 3 mil millones de años de proporciones de isótopos de azufre que están en línea con las predicciones de este estudio. lo que sugiere que, de hecho, la vida prosperaba en los océanos antiguos. Este trabajo abre un nuevo campo de investigación, que el profesor asociado de ELSI Shawn McGlynn llama "enzimología evolutiva e isotópica". Usando este tipo de datos, los científicos ahora pueden pasar a otros elementos, como carbono y nitrógeno, y vincular más completamente el registro geoquímico con los estados celulares y la ecología a través de la comprensión de la evolución de las enzimas y la historia de la Tierra.