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Postulan que la aparición de la fotosíntesis productora de oxígeno surgió muy pronto sobre la Tierra.

Un grupo de investigadores encuentra que las primeras bacterias ya tenían las herramientas para realizar un paso crucial en la fotosíntesis, lo que cambia la forma en cómo pensamos que la vida evolucionó en la Tierra.

El hallazgo también cuestiona las expectativas sobre cómo podría haber evolucionado la vida en otros planetas. Se cree que la evolución de la fotosíntesis productora de oxígeno es el factor clave en el surgimiento de la vida compleja (también existe la fotosíntesis del azufre). Al menos en la Tierra así fue. Se creía que esto tardaría varios miles de millones de años en evolucionar, pero si, de hecho, la vida más temprana pudo ya realizar esta fotosíntesis, entonces en otros planetas se puede haber desarrollado vida compleja mucho antes de lo que se pensaba anteriormente.

El equipo de investigación, dirigido por científicos del Imperial College de Londres, rastreó la evolución de las proteínas clave necesarias para la fotosíntesis hasta posiblemente el origen de la vida bacteriana en la Tierra.

«Anteriormente habíamos demostrado que el sistema biológico para realizar la producción de oxígeno, conocido como fotosistema II, era extremadamente antiguo, pero hasta ahora no habíamos podido colocarlo en la línea temporal de la historia de la vida. Ahora, sabemos que el fotosistema II muestra patrones de evolución que generalmente solo se atribuyen a las enzimas más antiguas conocidas, que fueron cruciales para que la vida misma evolucionara», dice Tanai Cardona, investigador principal.

La fotosíntesis, que convierte la luz solar en energía, puede presentarse en dos formas: una que produce oxígeno y otra que no. Por lo general, se asume que la forma productora de oxígeno evolucionó más tarde, particularmente con la aparición de cianobacterias, o algas verdiazules, hace unos 2500 millones de años.

Si bien algunas investigaciones han sugerido que los focos de fotosíntesis (oxigenada) productoras de oxígeno pueden haber existido antes de esto, todavía se consideraba una innovación que tardó al menos un par de miles de millones de años en evolucionar en la Tierra.

La nueva investigación encuentra que las enzimas capaces de realizar el proceso clave en la fotosíntesis oxigenada (dividir el agua en hidrógeno y oxígeno) podrían haber estado presentes en algunas de las primeras bacterias. La evidencia más antigua de vida en la Tierra tiene más de 3400 millones de años y algunos estudios han sugerido que la vida más temprana podría tener más de 4000 millones de años.

Como la evolución del ojo, la primera versión de la fotosíntesis oxigenada puede haber sido muy simple e ineficaz. Al igual que los primeros ojos solo percibían la luz y poco más, la fotosíntesis más temprana pudo haber sido muy ineficaz y lenta.

En la Tierra, las bacterias tardaron más de mil millones de años en perfeccionar el proceso que condujo a la evolución de las cianobacterias y dos mil millones de años más para que los animales y las plantas conquistaran la tierra. Sin embargo, el hecho de que la producción de oxígeno estuviera presente tan pronto significa que en otros entornos, como en otros planetas, la transición a una vida compleja puede que haya llevado mucho menos tiempo.

El equipo hizo su descubrimiento usando el ‘reloj molecular’ de las proteínas clave de la fotosíntesis responsables de la división del agua. Este método estima la tasa de evolución de las proteínas observando el tiempo entre los momentos evolutivos conocidos, como la aparición de diferentes grupos de cianobacterias o plantas terrestres, que en la actualidad portan una versión de estas proteínas. La tasa de evolución calculada luego se extiende hacia atrás en el tiempo, para ver cuándo evolucionaron las proteínas por primera vez.
Compararon la tasa de evolución de estas proteínas de fotosíntesis con la de otras proteínas clave en la evolución de la vida, incluidas las que forman moléculas de almacenamiento de energía en el cuerpo y las que traducen secuencias de ADN en ARN, que se cree que se originaron antes que el antepasado de toda la vida celular en la Tierra. También compararon la tasa con eventos que se sabía que habían ocurrido más recientemente, cuando la vida ya era variada y habían aparecido ya las cianobacterias.

Las proteínas de la fotosíntesis mostraron patrones de evolución casi idénticos a los de las enzimas más antiguas, que se remontan a mucho tiempo atrás, lo que sugiere que evolucionaron de manera similar.

«Hemos utilizado una técnica llamada reconstrucción de secuencia ancestral para predecir las secuencias de proteínas de las proteínas fotosintéticas ancestrales. Estas secuencias nos dan información sobre cómo el fotosistema II ancestral habría funcionado y pudimos demostrar que muchos de los componentes clave necesarios para la evolución del oxígeno en el fotosistema II se remontan a las primeras etapas de la evolución de la enzima», afirma Thomas Oliver, primer autor del estudio.

Saber cómo evolucionan estas proteínas clave de la fotosíntesis no solo es relevante para la búsqueda de vida en otros planetas, sino que también podría ayudar a los investigadores a encontrar estrategias para usar la fotosíntesis a través de la biología sintética de formas distintas a la natural.

Carmona sostiene que, ahora que tienen una buena idea de cómo evolucionan las proteínas de la fotosíntesis, se puede usar la evolución dirigida para para producir nuevos tipos de bioquímica. De este modo, se podrían desarrollar fotosistemas que lleven a cabo nuevas reacciones químicas complejas, ecológicas y sostenibles que estén alimentadas enteramente por la luz.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Foto de cianobacteria Lyngbya: Wikipedia. Dominio público.