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, al aumentar la duración del día en la Tierra primitiva, el giro del joven planeta se ralentizó gradualmente con el tiempo, alargando los días:puede haber aumentado la cantidad de oxígeno liberado por las cianobacterias fotosintéticas, dando forma a la sincronización 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. 80 pies por debajo de la superficie del agua. El agua del sumidero de Middle Island es rica en azufre y baja en oxígeno, 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, alfombrar superficies terrestres y del fondo marino.

Los investigadores muestran que una mayor duración del día aumenta la cantidad de oxígeno liberado por las esteras microbianas fotosintéticas. Ese hallazgo, Sucesivamente, apunta a un vínculo previamente no considerado entre la historia de la oxigenación de la Tierra y su tasa de rotación. Mientras que la Tierra ahora gira sobre su eje una vez cada 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. Naturaleza Geociencia .

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 los dos autores correspondientes del estudio. Los otros coautores son de U-M y Grand Valley State University.

"Una pregunta constante en las ciencias de la Tierra ha sido cómo obtuvo la atmósfera de la Tierra su oxígeno, y qué factores controlaron cuando se produjo esta oxigenación, "Dick dijo 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, al sumidero de Middle Island, varias millas de la costa.

"Nuestra investigación sugiere que la velocidad a la que gira la Tierra, en otras palabras, su duración del día, puede haber tenido un efecto importante en el patrón y el momento de la oxigenación de la Tierra, "dijo Dick, profesor en el Departamento de Ciencias de la Tierra y Ambientales de la U-M.

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, un oceanógrafo físico en el Departamento de Ciencias de la Tierra y Ambientales de la U-M, escuché una conferencia pública sobre el trabajo de Klatt y señaló que los cambios en la duración del día podrían desempeñar un papel, a lo largo del tiempo geológico, en la historia de la fotosíntesis 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, anteriormente conocidas como algas verdeazuladas, 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 subproducto.

A las masas de estos organismos simples que viven en mares primitivos se les atribuye la liberación de oxígeno que luego 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 usan azufre, no la luz del sol, como su principal fuente de energía.

En una danza microbiana que se repite a diario en el fondo del sumidero de Middle Island, láminas vaporosas de microbios púrpuras y blancos compiten por la posición a medida que avanza el día y las condiciones ambientales cambian lentamente. Las bacterias blancas que comen azufre cubren físicamente las cianobacterias púrpuras por 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, permitiéndoles comenzar a producir oxígeno.

La migración vertical de bacterias oxidantes de azufre se ha observado anteriormente. Lo nuevo es que los autores de la Naturaleza Geociencia estudio son los primeros en vincular estos movimientos microbianos, y las tasas resultantes de producción de oxígeno, a cambiar la duración del día a lo largo de la historia de la Tierra.

"Dos grupos de microbios en las esteras de sumidero de Middle Island compiten por la posición más alta, con bacterias oxidantes de azufre que a veces sombrean las cianobacterias fotosintéticamente activas, Klatt dijo mientras procesaba una muestra del núcleo de las esteras microbianas del sumidero de Middle Island en un laboratorio de Alpena. "Es posible que un tipo similar de competencia entre microbios haya contribuido 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, permitiendo 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 por la tarde, esas bacterias blancas que comen azufre estarían encima de las bacterias fotosintéticas durante la mayor parte del día, limitar la producción de oxígeno, "Dick dijo mientras el barco se balanceaba en aguas agitadas, amarrado a un par de cientos de metros 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 la Isla Media probablemente se asemeja a las duras condiciones que prevalecían en los mares poco profundos de la Tierra primitiva.

El lago Huron está sustentado por piedra caliza de 400 millones de años, lecho rocoso de dolomita y yeso que se formó a partir de los mares de agua salada que una vez cubrieron el continente. Tiempo extraordinario, el movimiento del agua subterránea disolvió parte de ese lecho rocoso, formando cuevas y grietas que luego colapsaron para crear sumideros en tierra y sumergidos cerca de Alpena.

Frío, pobre en oxígeno, El agua subterránea rica en azufre se filtra en el fondo del sumidero de Middle Island de 300 pies de diámetro hoy, 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. Con la ayuda de buzos 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 biología. allí.

También llevaron muestras de esterillas 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 dado, basado en la física del transporte de oxígeno. Se asoció con Chennu para realizar estudios de modelado detallados para relacionar los procesos de la estera microbiana con los patrones a escala terrestre en escalas de tiempo geológicas.

Los estudios de modelado revelaron que la duración del día sí, De hecho, dar forma a la liberación de oxígeno de las esteras.

"Simplemente hablando, hay menos tiempo para que el oxígeno salga de la alfombra en días más cortos, Dijo Klatt.

Esto llevó a los investigadores a postular un posible vínculo entre días más largos y niveles crecientes 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 de la mayor parte de la historia del planeta.

A lo largo de la mayor parte de la historia de la Tierra, el oxígeno atmosférico estaba 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 mil millones de años después, una segunda oleada de oxígeno, conocido como el evento de oxigenación neoproterozoica, ocurrió.

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 implacable tirón de la gravedad de la luna. que crea la fricción de las mareas.