Glaciaciones, aumento del oxígeno y grandes saltos evolutivos

Respirando piedras

El metabolismo aeróbico podría ser más antiguo de lo que se pensaba. Se ha descubierto recientemente un grupo de bacterias productoras de oxígeno, que evolutivamente podían haber aparecido antes que los organismos fotosintéticos en la Tierra. Estas bacterias consumen el oxígeno que ellas mismas producen. Este hallazgo además tiene importancia para entender otras formas de colonizar habitats poco usuales, como los que encontramos en Marte o Titán

Existe un grupo de microorganismos capaces de respirar el oxígeno que ellas misma generan (Ettwig, 2010), sugiriendo que esto microorganismos podían haber existido en la Tierra consumiendo oxígeno antes de que las cianobacterias y las plantas lo produjeran. El mecanismo utilizado por estas bacterias muestra que, hace mucho tiempo, estos microorganismos emplearon el metano (fuente de carbono y energía que existe también en lunas de otros planetas del sistema solar) produciendo un oxígeno que era empleado para respirar por ellos mismos.

Esta bacteria productora de oxígeno, llamada provisionalmente Methylomirabilis oxyfera vive en lodos lacustres pobres en oxígeno y ricos en metano. Los compuestos que esta bacteria oxida son metano, nitrato y nitrito. Hasta el momento de este descubrimiento sólo se habían identificado tres mecanismos de producción de oxígeno: la fotosíntesis, la reducción de cloratos y la conversión enzimática de especies reactivas de oxígeno.

Las bacterias anaerobias vivían solas en la Tierra hace 2500 millones de años sin oxígeno, por eso tenían que encontrar otros elementos a los que ceder electrones, por eso utilizaban minerales ricos en hierro (Fe) y el manganeso (Mn), es decir, eran capaces de respirar piedras.

El Profesor David Richardson, de la Universidad de East Anglia, descubrió que las bacterias emiten los electrones sobrantes fuera de su cuerpo a través de la pared bacteriana, para que sean aceptados por piedras ricas en estos compuestos, o sea, emiten descargas eléctricas al exterior. Según este investigador estas bacterias anaerobias utilizan petróleo como alimento y "piedras" para respirar, es decir, como aceptoras de electrones.

La Shewanella, prima de nuestra E. coli es una bacteria capaz de reducir metales pesados. La respiración celular de estas bacterias no se limita a los metales pesados​​; dicha bacteria también puede usar sulfatos, nitratos y cromatos cuando crece anaeróbicamente.

Limonita, también conocida como hierro de los pantanos se forma por deposiciones de hierro originadas por el metabolismo de cierto grupo de bacterias.Es una forma muy porosa, con escasa densidad y muy ligera. Es frecuente observar a simple vista restos vegetales (de hecho está formada por multitud de hebras de raicillas).

La vida estaba presente durante todo el Arcaico limitada a los organismos procariotas.

Hace unos 3500 millones de años, durante la Era Paleoarcaica, las bacterias comienzan con la fotosíntesis, que inicialmente era anoxigénica, por lo que no desprende oxígeno. En la actualidad, las bacterias verdes del azufre y no del azufre, y las bacterias púrpura realizan este tipo de fotosíntesis. No sería hasta hace unos 2800 millones de años, durante la Era Neoarcaica, cuando surjan los primeros organismos capaces de realizar la fotosíntesis oxigénica (como las cianobacterias) y comiencen a liberar oxígeno molecular al medio ambiente.

Uno de los eventos más importantes del Proterozoico fue el aumento de la concentración de oxígeno en la atmósfera de la Tierra. Aunque el oxígeno producido como sustancia de desecho por la fotosíntesis comenzó a producirse ya hace 2800 millones de años, en el Eón Arcaico, el porcentaje de oxígeno en la atmósfera se mantuvo probablemente a sólo un 1% al 2% de su nivel actual hasta que los sumideros químicos (oxidación de azufre y hierro) se saturaron hace aproximadamente 2450 millones de años, cuando comienza la Gran Oxidación. Las formaciones de hierro bandeado, que proporcionan la mayor parte de mineral de hierro del mundo son el resultado de estos sumideros químicos de oxígeno. La formación de estas estructuras cesó hace 1.900 millones de años.

Durante el proterozoico es cuando aparece la primera célula eucariótica, a partir de la simbiosis de varias bacterias. Este grupo de seres vivos se les conoce como el nombre de protozoos. Cuando los protozoos comienzan a formar los primeros seres pluricelulares es cuando empiezan a aparecer los primeros fósiles. De este tipo de fósiles se conservan innumerables ejemplos en el yacimiento de Ediacara. A partir de entonces ocurre una explosión de formas pluricelulares. Es en ese momento cuando entramos en el eón Fanerozoico, que comienza hace 542 millones de años y que dura hasta nuestros días. El periódo más antiguo del Fanerozoico es el periódo Cámbrico.

Las glaciaciones como motor de la evolución

Glaciaciones-Tierra helada (Miracle Planet II). Fuente: Director Hideki Tazuke. Oliver Julien. Producido por NHK

Min 20. Las bacterias metanogénicas hace 2000 millones de años vivían en todos los océanos del planeta liberando metano. El metano es un gas invernadero mucho más potente que el CO2

Si el metano en la atmósfera terrestre era capaz de mantener la temperatura de la Tierra por encima de los 0ºC (por debajo de esa temperatura el agua se congela)

Min 20:50 la atmósfera hace 2000 millones de años era rojiza debida al metano. Las metanobacterias liberaban metano sin parar. Es entonces cuando aparecen las cianobacterias. Al producirse 02 en grandes cantidades el metano se redujo

La reducción del metano fue drástica por lo que privada de su metano la Tierra comenzó una glaciación masiva conocida como  Glaciación euroniana  

Min 36:25 Tras el segundo periodo de glaciación ocurrido hace 600 millones de años la concentración del oxígeno en la atmósfera pasó del 1% a 20% ¿Cómo ocurrió esto? Min 37:25: A pesar del hielo, los volcanes seguían siendo muy activos y producían CO2 que se acumulaba en la atmósfera, no disuelto en el agua como ocurre ahora. Esto era así porque no había agua líquida. Se encontraba toda en forma de hielo. Al aumentar el CO2 aumentó el efecto invernadero provocando que el hielo se fundiese. El calor continuó, al llegar el agua de mar a 45ºC se produjeron grandes ciclones de 10.000 km/hr. El fosforo y otros nutrientes que se encontraban en el fondo del océano durante la gran glaciación surgieron de los fondos gracias a las tormentas. Ello provocó un rico caldo que fue aprovechado por las cianobacterias para producir una cantidad ingente de oxígeno que pasó del 1% de la atmósfera a 20%, similar al 21% de hoy en día.

Esto generó dos grandes saltos en la evolución: el primero el paso de las células procariotas a las eucariotas, el segundo paso, el de los organismos unicelulares a los multicelulares.

La relación entre las glaciaciones y los saltos evolutivos quedaría así:

Cuando se representa el tiempo geológico se suele representar en eones. Un Eón es el mayor de los períodos en que se considera dividida la historia de la Tierra desde el punto de vista geológico y paleontológico. Hay solamente cuatro eones: Hádico, Arcaico, Proterozoico y Fanerozoico. Los tres primeros se agrupan en un único supereón, el Precámbrico.

La vida aparece en el eón Arcaico, hace 4000 millones de años. De este periodo nos quedan los fósiles llamados estromatolitos que se comienzan a formar hace 3.500 millones de años, con una abundancia máxima hace 1250 millones de años. Posteriormente se redujo su abundancia y diversidad, si bien actualmente continúan formándose en algunos lugares. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los primeros estromatolitos con origen microbiano confirmado son de hace 2724 millones de años

Estromatolitos como estos se pueden observar en Australia. Fuente

Las dos grandes glaciaciones, del periodo huroniano (hace 2200 ma) y criogénico (hace 600 ma) fueron responsables de la aparición de la célula eucariota y de los seres multicelulares

Para saber más: 

Ettwig, K. F. et al. Nitrite-driven anaerobic methane oxidation by oxygenic bacteria. Nature 464, 543-548 (25 March 2010).