Cómo el oxígeno pudo acumularse en la atmósfera de la Tierra hace 2.500 millones de años

Un equipo de investigación de la Universidad de Tubinga está investigando cómo las cianobacterias de los océanos primitivos resistieron el estrés del hierro y pudieron multiplicarse en masa.

Las cianobacterias que existen hoy en día fueron los primeros organismos en realizar la fotosíntesis en los océanos primitivos hace unos 2500 millones de años, liberando oxígeno en el proceso. Este oxígeno se acumuló en la atmósfera terrestre en cantidades ingentes.

Un equipo de investigación dirigido por el profesor Andreas Kappler, del Departamento de Geomicrobiología de la Universidad de Tubinga, investigó cómo esto era posible, a pesar de que el abundante hierro disuelto en el agua del océano inhibía considerablemente el crecimiento de las cianobacterias. Los investigadores descubrieron que el silicato, también presente en el agua del océano, desempeñaba un papel crucial, al igual que el ciclo diario de luz y oscuridad. El estudio se publicó en la revista Nature Communications.

El oxígeno era un residuo difícil de eliminar para las cianobacterias. A medida que se acumulaba, la evolución respondía con flexibilidad. Hoy en día, es indispensable para la mayoría de las formas de vida que conocemos. «Los océanos primitivos contenían una gran cantidad de hierro disuelto, que reacciona con el oxígeno para formar radicales de oxígeno altamente reactivos. Estas llamadas especies reactivas de oxígeno son tóxicas para las bacterias», explica Andreas Kappler. Hasta ahora, se asumía que los radicales de oxígeno inhibían fuertemente la liberación de oxígeno por parte de las cianobacterias y que el oxígeno libre solo entraba a la atmósfera varios millones de años después de su aparición. «Pero esta suposición también planteaba la cuestión de cómo las cianobacterias podían sobrevivir en estas condiciones», afirma la doctoranda Carolin Dreher, del grupo de investigación de Kappler, primera autora del estudio.

El papel del silicato

Para comprender mejor las condiciones de vida de las cianobacterias en los océanos primitivos, el equipo de investigación investigó el crecimiento de cianobacterias del género Synechococcus en el laboratorio con diversas concentraciones de hierro y silicato disueltos. El silicato es silicio disuelto, presente también en grandes cantidades en el agua de los mares antiguos. «Lo sabemos gracias a los mayores depósitos de hierro del mundo en la actualidad, los minerales de hierro bandeados que se encuentran en varios continentes. Allí, ambos elementos, hierro y silicio, se depositaron alternativamente en capas», explica Kappler.

En el experimento, las altas concentraciones de hierro aumentaron la formación de especies reactivas de oxígeno e inhibieron el crecimiento de los microorganismos. «Sin embargo, cuando los experimentos también incluyeron cantidades realistas de silicato para los océanos de aquella época, la formación de estos compuestos tóxicos disminuyó significativamente», informa Carolin Dreher. En estas condiciones, las cianobacterias pudieron crecer y seguir produciendo oxígeno. «Las altas concentraciones de silicato aparentemente actuaron como un mecanismo de defensa química que redujo la formación de compuestos de oxígeno nocivos y, por lo tanto, permitió el crecimiento de las cianobacterias a pesar de las altas concentraciones de hierro», explica la investigadora.

Influencia del ciclo diario de luz y oscuridad

Además, los investigadores descubrieron que la alternancia de las fases diurna y nocturna también desempeñó un papel crucial en el enriquecimiento de oxígeno. «Investigaciones anteriores habían utilizado iluminación continua. Descubrimos que la formación de compuestos nocivos de oxígeno se redujo aún más en nuestros experimentos de laboratorio bajo un ciclo de luz diurna», informa Dreher. Los modelos computacionales desarrollados por los investigadores, basados en los datos experimentales, mostraron que, en esas condiciones, podrían haberse formado zonas ricas en oxígeno en las áreas cercanas a la superficie de los océanos de esa época.

«Nuestros resultados sugieren que las condiciones químicas de los océanos ricos en hierro de la Tierra primitiva obstaculizaron la propagación de las cianobacterias menos de lo que se creía», afirma Kappler. «Esto podría haber sido crucial para garantizar que estos microorganismos produjeran suficiente oxígeno a largo plazo para alterar de forma sostenible la composición de la atmósfera terrestre».

«El estudio proporciona nuevas y fascinantes perspectivas sobre el desarrollo a largo plazo de la atmósfera terrestre. Demuestra que es necesario considerar diversas condiciones en relación entre sí para comprender los procesos en los océanos primitivos», afirma la profesora Dra. Karla Pollmann, rectora de la Universidad de Tubinga.

Fuente: Universidad de Tubinga

Referencia

Dreher, C.L., Cirpka, O.A., Schad, M. et al. Survival of cyanobacteria and mitigation of Fe(II) toxicity effects in a silica-rich Archean ocean. Nat Commun 17, 1987 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69826-x