Hace unos 580 millones de años, la vida en la Tierra comenzó un período de rápido cambio llamado la explosión del Cámbrico, un periodo definido por el nacimiento de nuevas formas de vida durante millones de años que a la larga contribuyó a la diversidad de los animales modernos.
Los fósiles ayudan a los paleontólogos a llevar a cabo su crónica de la evolución de la vida desde entonces, pero un dibujo de la vida durante los 3.000 millones de años que precedieron al Período Cámbrico es un reto, porque las células del Precámbrico correpondían a cuerpos blando de los que rara vez han quedado huellas fósiles. Sin embargo, aquellas formas de vida temprana legaron abundantes rastros de fósile microscópicos: el ADN.
Debido a que todos los organismos vivos heredan sus genomas de los genomas ancestrales, biólogos en el MIT (Instituto de Tecnología de Massachusstes) creyeron que podrían utilizar los genomas de hoy en día para reconstruir la evolución de los microbios antiguos. Combinaron la información de la cada vez mayor biblioteca del genoma con su propio modelo matemático que toma en cuenta la forma en que evolucionan los genes: las nuevas familias de genes puede nacer o ser heredados, pueden ser cambiados o transferidos horizontalmente entre los organismos, se pueden duplicar en el mismo genoma, y se pueden perder.
Los científicos rastrearon miles de genes a partir de 100 genomas modernos y su apariencia al manifestarse por primera vez en la Tierra para crear un fósil genómico que nos dice no sólo cuando los genes se introdujeron, sino también que microbios antiguos poseía esos genes. El trabajo sugiere que el genoma colectivo de toda la vida fue sometido a una expansión hace entre 3.300 y 2.800 millones de años, durante los cuales el 27 por ciento de todas las familias de genes existentes en la actualidad llegó a existir.
Eric Alm, profesor en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental y el Departamento de Ingeniería Biológica, y David Lawrence, quien recientemente recibió su doctorado del MIT y ahora es un Junior Fellow en la Harvard Society of Fellows, han nombrado a este período la expansión Arcaica.
Debido a que hay muchos de los nuevos genes identificados que se relacionan con el oxígeno, Alm y David pensaron que la aparición de oxígeno podría ser responsable de la expansión Arcaica. El oxígeno no existía en la atmósfera de la Tierra hasta hace unos 2.500 millones de años cuando comenzó a acumularse, probablemente matando a un gran número de formas de vida anaeróbica, en el Gran Evento de Oxidación.
"El Gran Evento de Oxidación fue probablemente el evento más catastrófico en la historia de la vida celular, pero no tenemos ningún registro biológico del mismo", dice Alm.
Una inspección más cercana, sin embargo, mostró que los genes que utilizaron el oxígeno no aparecieron hasta el final de la expansión Arcaica hace 2.800 millones de años, que es más consistente con la fecha geoquímica para asignar al Gran Evento de Oxidación.
En cambio, Alm y David creen que han detectado el nacimiento del transporte de electrones moderno: el proceso bioquímico responsable del transporte de los electrones dentro de las membranas celulares. El transporte de electrones se utiliza para respirar oxígeno y por las plantas y algunos microbios durante la fotosíntesis cuando se captura la energía directamente del sol. Una forma de fotosíntesis llamado fotosíntesis oxigénica se cree que es responsable de generar el oxígeno asociado con el Gran Evento de Oxidación, y es responsable del oxígeno que respiramos hoy en día.
La evolución del transporte de electrones durante la expansión Arcaica habría permitido varias etapas clave en la historia de la vida, como la fotosíntesis y la respiración, tanto de lo que podría llevar a una cantidad mucho mayor de energía que es recogida y almacenada en la biosfera.
"No puedo decir sobre nuestros resultados si el desarrollo del transporte de electrones fue causado directamente por la expansión Arcaica", dice David. "Sin embargo, podemos especular con que el acceso a un nivel mucho mayor de energía permitió a la biosfera acoger más grandes y complejos ecosistemas microbianos".
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