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

Un buceador observa los microbios morados, blancos y verdes que cubren las rocas en el sumidero de la isla central del lago Huron. Crédito: Phil Hartmeyer, Santuario Marino Nacional Thunder Bay de la NOAA

Un largo día para los microbios y el aumento de oxígeno en la Tierra.

Prácticamente todo el oxígeno en la Tierra fue y es producido por la fotosíntesis, que fue inventada por organismos diminutos, las cianobacterias, cuando nuestro planeta todavía era un lugar bastante inhabitable. Las cianobacterias evolucionaron hace más de 2.400 millones de años, pero la Tierra se transformó lentamente en el planeta rico en oxígeno que conocemos hoy. «No entendemos completamente por qué tomó tanto tiempo y qué factores controlaron la oxigenación de la Tierra», dijo la geomicrobióloga Judith Klatt. «Pero cuando estudié las esteras de cianobacterias en el sumidero de Middle Island en el lago Huron en Michigan, que viven en condiciones similares a la Tierra primitiva, tuve una idea».

Mapa de la cuenca de los Grandes Lagos que muestra el contexto geológico. La flecha y el círculo rojo indican la ubicación de varios sumideros sumergidos en el lago Huron, incluido el sumidero de Middle Island. Crédito: Figura de Biddanda et al. 2012, publicado en Nature Education Knowledge y originalmente de Granneman et al. 2000

Las cianobacterias se levantan tarde

Klatt trabajó junto con un equipo de investigadores en torno a Greg Dick de la Universidad de Michigan. El agua en el sumidero de Middle Island, donde el agua subterránea se filtra desde el fondo del lago, tiene muy poco oxígeno. «La vida en el fondo del lago es principalmente microbiana y sirve como un análogo funcional a las condiciones que han prevalecido en nuestro planeta durante miles de millones de años», dice Bopi Biddanda, ecólogo microbiano colaborador de la Universidad Estatal de Grand Valley. Los microbios son principalmente cianobacterias productoras de oxígeno púrpura que compiten con las bacterias oxidantes de azufre blancas. Los primeros generan energía con la luz solar, los segundos con la ayuda de azufre.

Esteras microbianas de color púrpura en el sumidero de Middle Island en el lago Huron, junio de 2019. Pequeñas colinas y «dedos» como este en los tapetes son causados ​​por gases como el metano y el sulfuro de hidrógeno que burbujean debajo de ellos. Crédito: Phil Hartmeyer, Santuario Marino Nacional Thunder Bay de la NOAA

Para sobrevivir, estas bacterias bailan un poco todos los días: desde el anochecer hasta el amanecer, las bacterias que comen azufre se sientan encima de las cianobacterias, bloqueando su acceso a la luz solar. Cuando sale el sol por la mañana, los comedores de azufre bajan 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 unas horas antes de que realmente comiencen, hay un gran retraso por la mañana. Las cianobacterias se levantan bastante tarde en comparación con los madrugadores, aparentemente ”. Como resultado, su tiempo para la fotosíntesis se limita a unas pocas horas al día. Cuando Brian Arbic, oceanógrafo físico de la Universidad de Michigan, se enteró de esta danza diel microbiana, planteó una pregunta intrigante: «¿Podría esto significar que el cambio en la duración del día tendría un impacto en la fotosíntesis en la historia de la Tierra?»

Un pez lota descansando sobre rocas cubiertas con esteras microbianas de color púrpura y blanco dentro del sumidero de la isla central en el lago Huron. Crédito: Phil Hartmeyer, Santuario Marino Nacional Thunder Bay de la NOAA

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, quizás tan solo seis horas», explicó Arbic. Luego, la rotación de nuestro planeta se desaceleró debido a 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 ha interrumpido 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.

La geomicrobióloga Judith Klatt, ex investigadora postdoctoral en el laboratorio de la UM de Greg Dick 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. Crédito: Jim Erickson, Noticias de la Universidad de Michigan

Después de notar la sorprendente similitud entre el modelo de oxigenación de la Tierra y la velocidad de rotación en escalas de tiempo geológico, Klatt estaba fascinado con la idea de que podría haber un vínculo entre los dos, un vínculo que iba más allá de la fotosíntesis retrasada de los «madrugadores». «observado en el Medio Dolina de la isla. “Me di cuenta de que la duración del día y la liberación de oxígeno de las esteras microbianas están relacionadas con un concepto muy simple y fundamental: durante los días cortos, hay menos tiempo para el desarrollo de gradientes y por lo tanto puede escapar menos oxígeno del esteras «, especuló Klatt.

El geomicrobiólogo y oceanógrafo de la UM Greg Dick, a la izquierda, y el estudiante de ingeniería ambiental de la UM, Kirk Olsen, examinan uno de los núcleos de sedimentos recolectados en el sumidero de Middle Island en el lago Huron. Los núcleos contienen muestras de alfombras microbianas que son análogas a los tipos de microorganismos que prosperaron en la Tierra hace miles de millones de años. Crédito: Jim Erickson, Noticias de la Universidad de Michigan

De las esteras bacterianas al oxígeno global

Klatt colaboró ​​con Arjun Chennu, quien entonces también trabajó en el Instituto Max Planck de Microbiología Marina y ahora dirige su equipo en el Centro Leibniz de Investigación Marina Tropical (ZMT) en Bremen. Basado en software de código abierto desarrollado por Chennu para este estudio, investigaron cómo la dinámica de la luz solar se relaciona 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 solar sube y baja dos veces más rápido y la producción de oxígeno va de la mano. Pero la liberación de oxígeno de las esteras bacterianas no lo es, 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.

Los buceadores con trajes secos se preparan para ingresar a las aguas heladas del lago Huron para recolectar muestras de esterillas microbianas en el sumidero de Middle Island en septiembre de 2017. Temperaturas en el fondo del sumidero, donde el agua subterránea rica en azufre y pobre en oxígeno penetra en el fondo del pozo. lago, puede estar en los 40 grados Fahrenheit. Crédito: Jim Erickson, Noticias de la Universidad de Michigan

Para comprender cómo los procesos que ocurren en un día pueden afectar la oxigenación a largo plazo, Klatt y sus colegas incorporaron sus hallazgos en modelos globales de niveles de oxígeno. El análisis sugiere que el aumento en la liberación de oxígeno debido al cambio en la duración del día puede haber aumentado los niveles de oxígeno a nivel mundial. Es un vínculo entre la actividad de organismos diminutos y procesos globales. “Vinculamos leyes de la física que operan en 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 que viven en el suelo «, dijo Chennu.» Es bastante emocionante. De esta manera conectamos la danza de las moléculas en la alfombra microbiana a la danza de nuestro planeta y su Luna ”.

El buzo salta desde la popa de la tormenta R / V antes de descender al fondo del sumidero de Middle Island aproximadamente a 80 pies más abajo, en septiembre de 2017. Crédito: Jim Erickson, University of Michigan News

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 subsecuente Evento de Oxigenación Neoproterozoica, podrían estar relacionados con el aumento de la duración del día. Por lo tanto, aumentar la duración del día podría haber aumentado la productividad neta del bentónico lo suficiente como para afectar los niveles de oxígeno atmosférico. “Hacer malabares con esta amplia gama de escalas de tiempo y espacio fue alucinante y muy divertido”, concluye Klatt.

Referencia: «Posible vínculo entre la velocidad de rotación de la Tierra y la oxigenación» 2 de agosto de 2021, Geociencias naturales.
DOI: 10.1038 / s41561-021-00784-3