Varios momentos clave en la historia de la Tierra nos ayudan a los humanos a responder la pregunta «¿Cómo llegamos aquí?». Estos momentos también arrojan luz sobre la pregunta «¿Hacia dónde vamos?» y ofrecen a los científicos una comprensión más profunda de cómo los organismos se adaptan a los cambios físicos y químicos de su entorno.
por Dan Bernardi, Universidad de Syracuse
Entre ellos se encuentra un evento evolutivo prolongado que tuvo lugar hace más de 2 mil millones de años, conocido como el Gran Evento de Oxidación (GOE). Este marcó la primera vez que el oxígeno producido por la fotosíntesis —esencial para la supervivencia de los humanos y muchas otras formas de vida— comenzó a acumularse en cantidades significativas en la atmósfera.
Si viajaras en el tiempo a una época anterior al Gran Época de Explosión (hace más de 2400 millones de años), te encontrarías con un entorno mayoritariamente anóxico (sin oxígeno). Los organismos que prosperaban en aquel entonces eran anaeróbicos, es decir, no necesitaban oxígeno y dependían de procesos como la fermentación para generar energía. Algunos de estos organismos aún existen hoy en día en ambientes extremos, como aguas termales ácidas y fuentes hidrotermales.
El GOE desencadenó una de las transformaciones químicas más profundas en la historia de la superficie terrestre. Marcó la transición de un planeta prácticamente carente de oxígeno atmosférico —e inhóspito para la vida compleja— a uno con una atmósfera oxigenada que sustenta la biosfera que conocemos hoy.
Los científicos han estado interesados desde hace mucho tiempo en determinar el momento y las causas de los grandes cambios en el oxígeno atmosférico porque son fundamentales para entender cómo surgió la vida compleja, incluidos los humanos.
Mientras nuestra comprensión de este período crítico aún se está definiendo, un equipo de investigadores de la Universidad de Syracuse y el MIT está excavando a fondo, literalmente, en antiguos núcleos de roca del subsuelo de Sudáfrica para descubrir pistas sobre la cronología del GOE. Su trabajo proporciona una nueva perspectiva sobre el ritmo de la evolución biológica en respuesta al aumento de los niveles de oxígeno y el largo y complejo camino hacia la aparición de los eucariotas (organismos cuyas células contienen un núcleo encerrado en una membrana).
El estudio, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences , fue dirigido por Benjamin Uveges, Ph.D., quien completó el proyecto como asociado postdoctoral en el MIT y colaboró con el profesor de ciencias de la Tierra de la Universidad de Syracuse, Christopher Junium, en los análisis químicos.
Respuestas incrustadas en la roca
Para retroceder en el tiempo, el equipo de investigación analizó núcleos de rocas sedimentarias recolectadas en varios sitios de Sudáfrica. Estos lugares fueron cuidadosamente seleccionados porque sus rocas, con una antigüedad de entre 2.200 y 2.500 millones de años, se encuentran dentro del rango de edad ideal para preservar evidencia del GOE. Al analizar las proporciones de isótopos estables incrustadas en estas rocas, el equipo descubrió evidencia de procesos oceánicos que requerían la presencia de nitrato, un indicador de condiciones con mayor contenido de oxígeno.
Para analizar los sedimentos antiguos, Uveges colaboró con Junium, profesor asociado de Ciencias de la Tierra y Ambientales de la Universidad de Syracuse. Junium se especializa en el estudio de la evolución de los entornos del pasado para comprender mejor el cambio global futuro. Sus instrumentos de última generación fueron esenciales para obtener lecturas precisas de los niveles de nitrógeno traza.
«Las rocas que analizamos para este estudio presentaban concentraciones de nitrógeno muy bajas, demasiado bajas para medirlas con la instrumentación tradicional utilizada para este trabajo», afirma Uveges. «Chris ha construido uno de los pocos instrumentos en el mundo que puede medir las proporciones de isótopos de nitrógeno en muestras con entre 100 y 1000 veces menos nitrógeno que el mínimo típico».
En el laboratorio de Junium, el equipo analizó las proporciones isotópicas de nitrógeno de muestras de rocas sudafricanas utilizando un espectrómetro de masas de proporción isotópica (IRMS). Las muestras se trituraron primero hasta convertirlas en polvo, se trataron químicamente para extraer componentes específicos y luego se convirtieron en gas. Este gas se ionizó (se convirtió en partículas cargadas) y se aceleró mediante un campo magnético, que separó los isótopos según su masa. El IRMS midió entonces la proporción de ¹⁵N a ¹⁴N, lo que puede revelar cómo se procesaba el nitrógeno en el pasado.
Un componente esencial del Espectrómetro de Masas de Relación Isotópica es el módulo de crioatrapamiento/enfoque capilar. Este equipo, crucial para los análisis de isótopos de nitrógeno presentados en el artículo, se encuentra en el laboratorio de Junium en la Universidad de Syracuse.
Entonces, ¿cómo revela este proceso los niveles de oxígeno en el pasado? Los microbios (abreviatura de microorganismos) influyen en la composición química de los sedimentos antes de que se conviertan en roca, dejando rastros isotópicos de cómo se procesaba y utilizaba el nitrógeno. El seguimiento de los cambios de ¹⁵N a ¹⁴N a lo largo del tiempo ayuda a los científicos a comprender cómo evolucionó el medio ambiente terrestre, en particular los niveles de oxígeno.
Reescribiendo la línea de tiempo del oxígeno
Según Uveges, el hallazgo más sorprendente es un cambio en la sincronización del ciclo aeróbico del nitrógeno oceánico. La evidencia sugiere que el ciclo del nitrógeno se volvió sensible al oxígeno disuelto aproximadamente 100 millones de años antes de lo que se creía, lo que indica un retraso significativo entre la acumulación de oxígeno en el océano y su acumulación en la atmósfera.
Junium señala que estos resultados marcan un punto de inflexión crítico en el ciclo del nitrógeno, cuando los organismos tuvieron que actualizar su maquinaria bioquímica para procesar el nitrógeno en una forma más oxidada que les resultaba más difícil de absorber y utilizar.
«Todo esto encaja con la idea emergente de que el GOE fue una prueba prolongada en la que los organismos tuvieron que encontrar el equilibrio entre aprovechar las ganancias energéticas de la fotosíntesis oxigenada y las adaptaciones graduales para manejar su subproducto, el oxígeno», dice Junium.
A medida que el oxígeno producido a través de la fotosíntesis comenzó a acumularse en la atmósfera, este aumento de oxígeno llevó a la extinción de muchos organismos anaeróbicos y preparó el escenario para la evolución de la respiración aeróbica, un proceso que utiliza oxígeno para descomponer la glucosa y proporciona la energía necesaria para funciones como el movimiento muscular, la actividad cerebral y el mantenimiento celular en humanos y otros animales.
«Durante los primeros más de dos mil millones de años de la historia de la Tierra, había muy poco oxígeno libre en los océanos y la atmósfera», afirma Uveges. «En contraste, hoy en día, el oxígeno constituye una quinta parte de nuestra atmósfera y, esencialmente, toda la vida multicelular compleja tal como la conocemos depende de él para respirar. Por lo tanto, en cierto modo, estudiar el auge del oxígeno y sus impactos químicos, geológicos y biológicos es, en realidad, estudiar cómo el planeta y la vida coevolucionaron para llegar a la situación actual».
Sus hallazgos redefinen nuestra comprensión de cuándo los ambientes superficiales de la Tierra se volvieron ricos en oxígeno tras la evolución de la fotosíntesis productora de oxígeno. La investigación también identifica un hito biogeoquímico clave que puede ayudar a los científicos a modelar cómo evolucionaron las diferentes formas de vida antes y después del Gran Época del Edén.
«Espero que nuestros hallazgos inspiren más investigaciones sobre este fascinante período», afirma Uveges. «Al aplicar nuevas técnicas geoquímicas a los núcleos de roca que estudiamos, podemos obtener una imagen aún más detallada del GOE y su impacto en la vida terrestre».
Más información: Benjamin T. Uveges et al., Ciclo aeróbico del nitrógeno 100 millones de años antes de la oxigenación atmosférica permanente, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2025). DOI: 10.1073/pnas.2423481122
