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¿Cómo podrían las cianobacterias sobrevivir a las condiciones anaeróbicas de la tierra antigua?

¿Cómo podrían las cianobacterias sobrevivir a las condiciones anaeróbicas de la tierra antigua?


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Estaba leyendo sobre las cianobacterias y supe que son los primeros organismos que llenaron la atmósfera de oxígeno hace unos 2.300 millones de años, pero luego me di cuenta de que ellos mismos son aeróbicos y no podía entender cómo un organismo aeróbico podría sobrevivir. la atmósfera pobre en oxígeno en primer lugar para producir suficiente oxígeno que llenó toda la atmósfera y causó que casi todos los organismos anaeróbicos se extinguieran


Las primeras cianobacterias fueron probablemente anaeróbicas, y este asunto parece ser un tema candente de la investigación contemporánea. Un estudio publicado recientementea que realizó un análisis filogenético de varios estados de genomas de cianobacterias:

La inferencia más parsimoniosa de estos datos es que el último ancestro común de las cianobacterias no usó oxígeno y que las tres clases [de cianobacterias] adquirieron respiración aeróbica independientemente después de su divergencia. La ausencia de respiración aeróbica en las cianobacterias ancestrales sugiere que las fuentes de oxígeno abiótico en la Tierra primitiva eran insuficientes para permitir su evolución hasta después de la aparición del oxígeno producido por la fotosíntesis.

Referencia

a Soo, Rochelle M. y col. "Sobre los orígenes de la fotosíntesis oxigenada y la respiración aeróbica en las cianobacterias". Ciencia 355.6332 (2017): 1436-1440 (http://web.gps.caltech.edu/~wfischer/pubs/Sooetal2017.pdf)


Se estima que la Tierra se formó hace 4.600 millones de años (hace miles de millones de años). Los meteoritos más antiguos datan de esta época, pero la tierra habría estado semifundida durante bastante tiempo. Los componentes de las rocas sedimentarias se han fechado en casi 4.400 millones de años, lo que indica que la tierra se enfrió lo suficiente como para permitir la formación de océanos al principio de su historia (Nemchin, 2006).

Las lecturas de isótopos de carbono de los estratos de rocas antiguas apoyan la conclusión de que la vida existía en la tierra hace 3.800 millones de años y quizás hace 3.850 millones de años (Mojzsis, 1996). En rocas de hace 3.800 millones de años, hay proporciones de isótopos de carbono que sugieren la presencia de organismos vivos. Existen diferentes formas de carbono llamadas isótopos. Los seres vivos usan un determinado isótopo de carbono (12 C) y excluyen un segundo isótopo (13 C), mientras que ninguno es discriminado en la formación de minerales. Después de más de 10,000 análisis de proporciones de carbono en sedimentos rocosos, solo hay un período en el que se observa una diferencia cualitativa. Hace unos 3.800 millones de años, las proporciones de isótopos de carbono en ciertos sedimentos cambiaron de los que se producían en ausencia de vida a los que se producen en asociación con los seres vivos. Este análisis sugiere que los seres vivos estaban presentes en la Tierra hace 3.850 millones de años. Este cambio en los isótopos de carbono se produjo poco después de la aparición del agua líquida en el planeta (Brocks, 1999 Schidlowski, 1988 Holland, 1997). Las rocas fechadas en 3.500 millones de años también parecen indicar la presencia de vida (Akai, 2006).

En los estratos rocosos de Isua, Groenlandia, hay "fósiles" de pequeños materiales orgánicos que tienen 3.800 millones de años. Aunque hay materia orgánica dentro de ellos y hay ejemplos de cómo se dividen (brotando de la misma manera que lo hace la levadura), no está claro si son células vivas o microesferas no vivas (Pflug, 1979 Roedder, 1981 Bridgwater, 1981 Dunlop, 1978) .

Se han encontrado "nanofósiles" en rocas marcianas que contienen material orgánico. Algunos sienten que estas diminutas estructuras fueron formadas por organismos primitivos en Marte (aunque muchos no están de acuerdo con esta interpretación) (Trevors, 2003b). La biomineralización de microbios antiguos que resultó en la formación de microfósiles a menudo es el resultado de la incorporación de iones metálicos en la superficie celular. Las "nanobacterias" pueden ser porciones de microbios que se mineralizaron, como tallos y vesículas (Southam, 1999). Las nanobacterias, que varían en tamaño de 0,1 a 0,5 micrones y se replican cada uno a tres días, están implicadas en algunas enfermedades como la poliquistosis renal en humanos (Ciftcioglu, 2002).

La mayoría de los fósiles se encuentran en un tipo de roca conocida como roca sedimentaria. El depósito de roca sedimentaria más antiguo conocido es la formación Isua de Groenlandia occidental de hace 3.800 millones de años. Dado que las rocas más antiguas conocidas tienen solo 4 mil millones de años, es poco probable que se encuentren rocas sedimentarias significativamente más antiguas que hace 3 mil 800 millones de años. Aunque no se conocen fósiles en Isua, las proporciones de carbono en esta roca son similares a las encontradas en rocas posteriores que contienen fósiles de microbios fotosintéticos (McClendon, 1999).

Se conocen microestructuras carbonáceas muy pequeñas en rocas de 3.800 millones de años en Isua que probablemente sean abióticas. Los microfósiles más antiguos de Australia tienen 3.500 millones de años (Pflug, 2001 McClendon, 1999). Las microestructuras de los meteoritos se asemejan a los microfósiles de microbios primitivos. El análisis químico del tamaño de las estructuras orgánicas y los espectros de masas de los iones positivos de los meteoritos puede ser similar a los análisis de los estratos rocosos que contienen microfósiles precámbricos. El meteorito de Murchison poseía pequeñas estructuras rodeadas por una membrana lipídica bicapa. Estas pequeñas estructuras pueden estar en forma de microestructuras de carbono helicoidales y esféricas entre 10 nm y 1 micra y filamentos compuestos por unidades de 2-20 nm de ancho y 1-2 nm de largo. ¿Cómo deben interpretarse estas pequeñas estructuras orgánicas? Aunque algunos se sienten vivos o precursores de la vida, al menos demuestran que las microestructuras orgánicas con cierta semejanza con los fósiles de células pueden formarse en condiciones abióticas en la tierra y en el espacio (Pflug, 2001).

Dado que las bacterias se pueden encontrar en las profundidades del océano, bajo tierra e incluso dentro de las rocas, estos entornos deben tenerse en cuenta al reflexionar sobre el origen de la vida. Las bacterias pueden existir dentro de los canales de ciertos minerales de roca, como el feldespato (Smith, 1999). Se estima que hay 4-6 x 10 30 células procariotas en la tierra cuya masa de carbono total representa aproximadamente tanto como la masa de carbono total de las plantas en la tierra. tierra (350-550 Pg 1 Pg = 10 12 kg). Aunque se desconocen los valores exactos, parece haber una enorme cantidad de procariotas en las profundidades del suelo y bajo el fondo del océano. Los acuíferos profundos y el agua asociada con el petróleo pueden contener entre mil y un millón de microbios por mililitro. Bajo tierra, se encuentran más de 400.000 microbios / centímetro cúbico a profundidades de 2000 metros y más de 300.000 microbios / centímetro cúbico se encuentran a profundidades de 3000 metros (Whitman, 1998). Enormes cantidades de microbios viven en la roca debajo del fondo del océano. Se han encontrado microbios a más de 1,6 km bajo el lecho marino en sedimentos que tienen más de 100 millones de años. Algunos de estos microbios eran metabólicamente activos y se estaban dividiendo. Entre estos se encuentran los archea que sobreviven a la oxidación anaeróbica del metano. Algunos han sugerido que 2/3 de los procariotas de la tierra viven en rocas debajo del lecho marino (Roussel, 2008). Muchas de las bacterias modernas más primitivas habitan en respiraderos hidrotermales de aguas profundas. Los respiraderos hidrotermales prehistóricos se conocen a partir del registro fósil, incluidos los respiraderos precámbricos asociados con una fauna bacteriana diversa (Li, 2006 Campbell, 2006).

En la actualidad, existen dos tipos diferentes de células en la tierra. Las células procariotas están representadas por bacterias modernas y son el tipo de célula más simple. Las células procariotas son pequeñas (típicamente 10,000 veces más pequeñas que las células eucariotas) y carecen de compartimentos internos unidos a la membrana llamados orgánulos. Hay 2 divisiones principales de las bacterias modernas: las eubacterias y las arquebacterias (o arqueas). Las eubacterias constituyen la mayoría de las bacterias que los humanos encuentran comúnmente, mientras que las arqueas habitan en muchos de los entornos más duros de la tierra. En los últimos años existe un gran interés por las arqueas debido a las similitudes entre ellas y las células eucariotas más complejas (como las que forman el cuerpo humano).

Los primeros fósiles de células procarióticas (bacterianas) se conocen desde hace 3.500 y 3.400 millones de años. Estas bacterias eran fotosintéticas (aunque no producían oxígeno), por lo que es probable que las bacterias no fotosintéticas más simples hayan evolucionado antes de esto (Schopf, 1987 Beukes, 2004). Las bacterias fotosintéticas prehistóricas formaron grandes montículos llamados estromatolitos que podían alcanzar los 30 pies de altura. Hoy en día, existen estromatolitos bacterianos en Australia y el registro fósil muestra que alguna vez fueron mucho más comunes en todo el mundo. Incluso se conocen estromatolitos del Eón arqueozoico de 3 continentes, incluidos algunos que tienen 3.500 millones de años. Los estromatolitos más jóvenes contienen fósiles bacterianos producidos por bacterias (Lowe, 1980 Walter, 1980). Los estromatolitos más antiguos probablemente también fueron formados por bacterias (su estructura microscópica, su posición submareal, su similitud con los estromatolitos fósiles bióticos lo indica), pero es posible que algunos se hayan formado abióticamente (sin bacterias como resultado de fuerzas geológicas) (Grotzinger, 1996) . A continuación se muestra un estromatolito precámbrico.

La evidencia geoquímica indica que las bacterias productoras de metano estaban presentes en la tierra hace 3.46 mil millones de años. El metano que produjeron podría haber jugado un papel importante en el calentamiento del planeta (dado que el metano es un potente gas de efecto invernadero) en un momento en que el sol habría producido energía (Ueno, 2006). Los hidrocarburos que datan del Arqueozoico tardío indican que tanto las bacterias como las arqueas contribuyeron a la biosfera temprana. Es probable que el metano producido por las arqueas haya contribuido a los gases de efecto invernadero que mantenían el agua líquida, mientras que la producción de energía del joven sol era menor que la cantidad actual (Ventura, 2007).

Las bacterias son los únicos habitantes conocidos de la tierra durante al menos los primeros 1.500 millones de años en la historia de la vida. Las comparaciones genéticas sugieren que los linajes bacterianos más antiguos y primitivos eran anaeróbicos y que la capacidad de sobrevivir en presencia de oxígeno evolucionó por separado en diferentes linajes. La fotosíntesis parece ser un proceso antiguo, presente en la mitad de los principales linajes eubacterianos (incluido un número en el que los antepasados ​​fotosintéticos parecen haber dado lugar a descendientes no fotosintéticos (Fox, 1980). Se sabe que los respiraderos hidrotermales han sostenido comunidades microbianas en el Precámbrico (Campbell, 2006). Muchas de las bacterias modernas más primitivas habitan en respiraderos hidrotermales de aguas profundas. Los respiraderos hidrotermales prehistóricos se conocen por el registro fósil, incluidos los respiraderos precámbricos asociados con una fauna bacteriana diversa (Li, 2006 2007).

El agua de mar contiene un promedio de más de 100,000 microbios por mililitro y para un total estimado de 3.6 x 10E29 microbios en el océano. Esta masa de microbios (incluidas bacterias, arqueas, protistas y hongos) constituye la mayor parte de la biomasa del océano, un estimado de 3 x 10 E17 g. La diversidad de estos microbios está demostrando ser mucho mayor de lo estimado previamente (Sogin, 2006).

Hace tres mil millones de años, evolucionaron cianobacterias (un tipo de bacteria más conocida por el nombre algo incorrecto "alga verde azul") que liberan oxígeno durante la fotosíntesis. Las primeras bacterias probablemente liberaron hidrógeno y sulfuro de hidrógeno en la fotosíntesis, en lugar de oxígeno. Hace 2.700 millones de años, los microbios formadores de estromatolitos parecen haber utilizado la fotosíntesis oxigenada (Buick, 1992). La cantidad de oxígeno en la atmósfera aumentó significativamente desde hace 2.400 a 2.200 millones de años (Rye, 1998). La evidencia molecular de la existencia de cianobacterias data de rocas de 2.700 millones de años y se conocen células especializadas de rocas de 2.100 millones de años (Tomitani, 2006). Hace 2.200 millones de años, existían cadenas de cianobacterias con células agrandadas (que probablemente estaban especializadas para tareas como el metabolismo del nitrógeno como en las especies modernas). Este es el primer ejemplo conocido de especialización celular (Nagy, 1974 Schopf).

La atmósfera más antigua no tenía mucho oxígeno gaseoso; antes de la fotosíntesis, tanto oxígeno habría sido absorbido por la reducción de la producción geotérmica y por la erosión de las rocas que muy poco habría estado presente en la atmósfera. La única fuente de oxígeno gaseoso habría sido la disociación de las moléculas de agua por la luz solar (Des Marais, 2000). Esto es evidente al observar los sedimentos formados en ese momento, los metales no se oxidaron y los minerales que se forman en presencia de oxígeno están ausentes. Depósitos de hierro del arqueozoico indicativos de ambiente anóxico (Lascelles, 2007). Hace 2.100 millones de años había suficiente oxígeno en la atmósfera para oxidar el hierro por primera vez y hace unos 1.800 millones de años, el oxígeno estaba oxidando cantidades significativas de hierro. También aparecen otros signos de oxígeno en esta época, como los biomarcadores de esterano de hace 1.700 millones de años y los depósitos de azufre oxidado de hace unos 1.600 millones de años. Los niveles de oxígeno atmosférico aumentan hacia el final del Precámbrico, justo antes de la diversificación de la fauna ediacárica (Kaufman, 2007Canfield, 2007).

Dado que las primeras bacterias probablemente habrían carecido de enzimas (como la peroxidasa) que se ocupan de las formas destructivamente reactivas del oxígeno, el oxígeno habría representado la primera contaminación del aire y habría causado muchas extinciones entre las bacterias. Todavía hay muchas bacterias en la actualidad que no pueden vivir en presencia de oxígeno.

El registro fósil de microorganismos fotosintéticos es bastante bueno y el de cianobacterias es robusto desde hace unos 2.500 millones de años hasta el Período Cámbrico. Las moléculas orgánicas que quedan en las rocas apoyan la cronología fósil. (Por ejemplo, los 2-metilbacteriohopanopolioles solo se conocen de las cianobacterias y su presencia en las rocas indica que las cianobacterias estaban presentes cuando se formó la roca). (Marais, 1992 Logan, 1999 de Duve, 1996)


Las cianobacterias pueden enseñarnos sobre la adaptación climática. Si el océano es cálido, las cianobacterias o "algas verde azuladas" pueden sobrevivir con menos nutrientes.

Los océanos se están calentando debido al cambio climático y esto afectará a toda la vida oceánica, desde el plancton más pequeño hasta el atún más grande. La red de la vida en el océano es compleja, por lo que se está investigando intensamente en la actualidad qué ecosistemas se verán afectados y cuánto cambiarán. Es especialmente importante comprender cómo el fitoplancton, la base de la red alimentaria y los productores de oxígeno, se verá afectado por este entorno cambiante. Si el fitoplancton disminuye o cambia de distribución, es posible que las pesquerías también vean capturas reducidas o peces que se mueven fuera del área por completo.

Las cianobacterias son un tipo de fitoplancton numeroso, antiguo y extendido. Se creía que habían transformado la atmósfera antigua de la Tierra de tener un alto contenido de dióxido de carbono (CO2 ) a un alto contenido de oxígeno, allanando el camino para la evolución de la vida tal como la conocemos. Una cianobacteria es microscópica, pero cuando las condiciones son adecuadas, pueden formar colonias o flores extremadamente grandes que pueden ser visibles desde el espacio.

En este estudio, los investigadores querían determinar cómo la abundancia de hierro, un nutriente importante para las cianobacterias, afecta la tasa de crecimiento de las especies de cianobacterias. Trichodesmium erythraeum a diferentes temperaturas. Tricodesmio es una cianobacteria de importancia ecológica porque transforma el gas nitrógeno en nitrógeno orgánico, que luego puede ser utilizado por otros animales mediante un proceso llamado fijación de nitrógeno. Solo unas pocas especies pueden cambiar el nitrógeno de una forma inorgánica a una forma que otros organismos vivos pueden usar, lo que hace que estos fijadores de nitrógeno sean muy importantes. En los estudios del fitoplancton se asume con frecuencia que el calentamiento y la abundancia de nutrientes afectan el crecimiento de manera aditiva. Esto significa que su crecimiento cambia por efecto de la temperatura más el efecto de la abundancia de nutrientes. Sin embargo, los investigadores demostraron en este estudio que es un poco más complicado que eso. Los aumentos de temperatura pueden afectar el metabolismo del fitoplancton y las reacciones químicas al proporcionar más energía, lo que provoca cambios adicionales en la tasa de crecimiento.

Para este experimento, científicos de la Universidad del Sur de California y varias universidades chinas crecieron Tricodesmio de 22 ℃ a 35 ℃ (la temperatura máxima que se puede sobrevivir) con una cantidad excesiva de hierro o un nivel bajo de hierro. Observaron la tasa de crecimiento del plancton y rastrearon el uso de hierro de las células utilizando compuestos de hierro radiactivos.

Cuando abundaba el hierro, las cianobacterias crecían más rápido a 27 ℃, pero cuando el hierro estaba limitado, la tasa de crecimiento máxima se producía en 32 ℃. Se encontró un patrón similar con el fósforo, que es el nutriente limitante para Tricodesmio crecimiento en áreas donde el hierro es abundante. Esto significa que a medida que los océanos se calientan, hasta un máximo de 35 ℃, los bajos niveles de hierro se vuelven menos problemáticos y las cianobacterias pueden crecer tan rápido como lo harían con hierro ilimitado a la misma temperatura. A medida que aumentaba la temperatura, su tasa de fijación de nitrógeno también aumentaba de manera constante. Los investigadores teorizan que las cianobacterias crecen más rápido en condiciones más cálidas cuando el hierro es bajo porque cuando el ambiente circundante es cálido, las reacciones dentro de las células avanzan más rápido y las enzimas (que contienen hierro) se liberan y se vuelven a unir a un ritmo mucho más rápido. Esto significa que una cantidad menor de hierro (y fósforo) puede hacer la misma cantidad de trabajo dentro de la célula porque todo va más rápido a temperaturas más cálidas.

Cuando los científicos desarrollan modelos para predecir la productividad de los océanos en un futuro océano más cálido, muchos no tienen en cuenta efectos como este y, por lo tanto, subestiman las cantidades de biomasa y fijación de nitrógeno. Otros estudios han demostrado que los niveles elevados de CO2 también aumenta la tasa de fijación de nitrógeno, pero este proceso también está limitado por el hierro. Dado que este estudio muestra que se requiere menos hierro a altas temperaturas, es más probable que la fijación de nitrógeno aumente aún más con el aumento de CO2 niveles. Según los investigadores de este estudio, si otras especies de cianobacterias reaccionan de manera similar, habrá un aumento en la fijación de nitrógeno en 2100 en un promedio del 21,5%. Sin embargo, el porcentaje varía mucho según el área geográfica, porque se predice que algunas áreas serán superiores al 35 ℃, lo que significa que la mayoría del fitoplancton no podría sobrevivir en absoluto.

En las áreas que no se calientan demasiado, esta fijación de nitrógeno puede ayudar a prevenir algunos efectos negativos del calentamiento del océano. Se prevé que el calentamiento de los océanos de la Tierra reducirá las corrientes y, por lo tanto, estratificará los océanos en capas. Esto evitaría el intercambio normal de nutrientes como el nitrógeno orgánico desde las profundidades hasta la superficie. Por lo tanto, cualquier mayor fijación de nitrógeno inorgánico por parte de las cianobacterias podría proporcionar el nitrógeno orgánico necesario a las aguas superficiales si ocurre una estratificación severa.

Cualquier cambio en la base de una red alimentaria cambiará todo de maneras difíciles de predecir. Por lo tanto, comprender los efectos del cambio climático en las plantas y el fitoplancton es de suma importancia para saber lo que traerá el futuro.


La atmósfera primitiva de la Tierra: una actualización

Científicos del NAI & # 8217s New York Center for Astrobiology en Rensselaer Polytechnic Institute han utilizado los minerales más antiguos de la Tierra para reconstruir las condiciones atmosféricas presentes en la Tierra poco después de su nacimiento. Los hallazgos, que aparecen en la edición actual de Nature, son la primera evidencia directa de cómo era la atmósfera antigua del planeta poco después de su formación y desafían directamente años de investigación sobre el tipo de atmósfera a partir de la cual surgió la vida en el planeta. .

Los científicos muestran que la atmósfera de la Tierra apenas 500 millones de años después de su creación no era un páramo lleno de metano como se propuso anteriormente, sino que estaba mucho más cerca de las condiciones de nuestra atmósfera actual. Los hallazgos, en un artículo titulado "El estado de oxidación de los magmas hadeanos y las implicaciones para la atmósfera de la Tierra primitiva", tienen implicaciones para nuestra comprensión de cómo y cuándo comenzó la vida en este planeta y podría comenzar en otras partes del universo.

Durante décadas, los científicos creyeron que la atmósfera de la Tierra primitiva estaba muy reducida, lo que significa que el oxígeno estaba muy limitado. Tales condiciones pobres en oxígeno habrían resultado en una atmósfera llena de metano nocivo, monóxido de carbono, sulfuro de hidrógeno y amoníaco. Hasta la fecha, quedan teorías y estudios ampliamente aceptados sobre cómo se pudo haber construido la vida en la Tierra a partir de este cóctel de atmósfera mortal.

Ahora, los científicos de Rensselaer están cambiando estas suposiciones atmosféricas con hallazgos que demuestran que las condiciones en la Tierra primitiva simplemente no eran propicias para la formación de este tipo de atmósfera, sino más bien para una atmósfera dominada por los compuestos más ricos en oxígeno que se encuentran dentro. nuestra atmósfera actual, que incluye agua, dióxido de carbono y dióxido de azufre.

“Ahora podemos decir con cierta certeza que muchos científicos que estudian los orígenes de la vida en la Tierra simplemente eligieron la atmósfera equivocada”, dijo Bruce Watson, profesor del Instituto de Ciencias en Rensselaer.

Los hallazgos se basan en la teoría ampliamente aceptada de que la atmósfera de la Tierra fue formada por gases liberados por la actividad volcánica en su superficie. Hoy, como durante los primeros días de la Tierra, el magma que fluye desde las profundidades de la Tierra contiene gases disueltos. Cuando ese magma se acerca a la superficie, esos gases se liberan al aire circundante.

“La mayoría de los científicos argumentarían que esta desgasificación del magma fue la principal entrada a la atmósfera”, dijo Watson. "Para comprender la naturaleza de la atmósfera 'al principio', necesitábamos determinar qué especies de gas estaban en los magmas que abastecían la atmósfera".

A medida que el magma se acerca a la superficie de la Tierra, entra en erupción o se detiene en la corteza, donde interactúa con las rocas circundantes, se enfría y cristaliza en roca sólida. Estos magmas congelados y los elementos que contienen pueden ser hitos literales en la historia de la Tierra.

Un hito importante es el circón. A diferencia de otros materiales que se destruyen con el tiempo por la erosión y la subducción, ciertos circones son casi tan antiguos como la Tierra misma. Como tal, los circones pueden contar literalmente toda la historia del planeta, si sabe las preguntas correctas que debe hacer.

Los científicos buscaron determinar los niveles de oxidación de los magmas que formaron estos antiguos zircones para cuantificar, por primera vez, qué tan oxidados estaban los gases que se liberaban al principio de la historia de la Tierra. Comprender el nivel de oxidación podría marcar la diferencia entre el desagradable gas de los pantanos y la mezcla de vapor de agua y dióxido de carbono a la que estamos tan acostumbrados actualmente, según el autor principal del estudio, Dustin Trail, investigador postdoctoral en el Centro de Astrobiología.

“Al determinar el estado de oxidación de los magmas que crearon el circón, podríamos determinar los tipos de gases que eventualmente llegarían a la atmósfera”, dijo Trail.

Para ello, Trail, Watson y su colega, el investigador postdoctoral Nicholas Tailby, recrearon la formación de circonitas en el laboratorio a diferentes niveles de oxidación. Literalmente crearon lava en el laboratorio. Este procedimiento condujo a la creación de un medidor de oxidación que luego podría compararse con los circones naturales.

Durante este proceso, buscaron concentraciones de un metal de tierras raras llamado cerio en los circones. El cerio es un indicador de oxidación importante porque se puede encontrar en dos estados de oxidación, uno más oxidado que el otro. Cuanto más altas sean las concentraciones del tipo de cerio más oxidado en el circón, más probablemente se oxidará la atmósfera después de su formación.

Las calibraciones revelan una atmósfera con un estado de oxidación más cercano a las condiciones actuales. Los hallazgos proporcionan un importante punto de partida para futuras investigaciones sobre los orígenes de la vida en la Tierra.

“Nuestro planeta es el escenario en el que se ha desarrollado toda la vida”, dijo Watson. “Ni siquiera podemos empezar a hablar sobre la vida en la Tierra hasta que sepamos cuál es esa etapa. Y las condiciones del oxígeno fueron de vital importancia debido a cómo afectan los tipos de moléculas orgánicas que se pueden formar ”.

A pesar de ser la atmósfera en la que la vida actualmente respira, vive y prospera, nuestra atmósfera oxidada actual no se considera un gran punto de partida para la vida. El metano y sus contrapartes pobres en oxígeno tienen mucho más potencial biológico para saltar de compuestos inorgánicos a aminoácidos y ADN que sustentan la vida. Como tal, Watson cree que el descubrimiento de su grupo puede revitalizar las teorías de que quizás esos componentes básicos para la vida no se crearon en la Tierra, sino que se entregaron en otras partes de la galaxia.

Sin embargo, los resultados no son contrarios a las teorías existentes sobre el viaje de la vida de organismos anaeróbicos a aeróbicos. Los resultados cuantifican la naturaleza de las moléculas de gas que contienen carbono, hidrógeno y azufre en la atmósfera más antigua, pero no arrojan luz sobre el aumento mucho más tardío del oxígeno libre en el aire. Todavía quedaba una cantidad significativa de tiempo para que el oxígeno se acumulara en la atmósfera a través de mecanismos biológicos, según Trail.

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Un estudio muestra cómo los microorganismos sobreviven en entornos hostiles

En el desierto de Atacama, en el norte de Chile, uno de los lugares más secos de la Tierra, los microorganismos pueden sobrevivir extrayendo agua de las rocas que colonizan.

Un proyecto financiado por el ejército por investigadores de la Universidad de California, Irvine, la Universidad Johns Hopkins y la Universidad de California, Riverside obtuvo una comprensión profunda de los mecanismos por los que algunas cianobacterias, un antiguo grupo de microbios fotosintéticos, sobreviven en entornos hostiles.

Las nuevas ideas, publicadas en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, demuestran cómo la vida puede florecer en lugares sin mucha agua a la vista, incluido Marte, y cómo las personas que viven en regiones áridas algún día pueden obtener hidratación de los minerales disponibles.

"El Ejército tiene un gran interés en cómo los microorganismos bien adaptados a ambientes extremos pueden ser explotados para aplicaciones novedosas como síntesis de materiales y generación de energía dentro de estos ambientes hostiles", dijo el Dr. Robert Kokoska, gerente de programa de la Oficina de Investigación del Ejército, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU. "Este estudio proporciona pistas valiosas para descubrir las estrategias de diseño evolucionadas utilizadas por estos microbios nativos del desierto para mantener su viabilidad frente a múltiples desafíos ambientales".

A través del trabajo en el campo y experimentos de laboratorio, el equipo de investigación se centró en las interacciones de Chroococcidiospsis, una especie de cianobacteria resistente a la desecación que se encuentra en los desiertos de todo el mundo, y el yeso, un agua que contiene un mineral a base de sulfato de calcio. Las formas de vida colonizadoras existen debajo de una fina capa de roca que les da una medida de protección contra la temperatura extrema de Atacama, la alta irradiancia solar y los fuertes vientos.

La coautora Jocelyne DiRuggiero, profesora asociada de biología de JHU, viajó al desierto remoto para recolectar muestras de yeso y las llevó a sus laboratorios en los Estados Unidos. Cortó trozos pequeños, donde se podían encontrar microorganismos, y los envió a la UCI para su análisis de materiales.

En uno de los hallazgos más llamativos del estudio, los investigadores descubrieron que los microorganismos cambian la naturaleza misma de la roca que ocupan. Al extraer agua, provocan una transformación de fase del material, de yeso a anhidrita, un mineral deshidratado.

Según DiRuggiero, el ímpetu para el trabajo publicado se produjo cuando Wei Huang, un becario postdoctoral de la UCI en ciencia de materiales e ingeniería de amplificación, descubrió datos que mostraban una superposición en las concentraciones de anhidrita y cianobacterias en las muestras de yeso recolectadas en Atacama.

"Nuestro análisis de las regiones de roca donde los microbios fueron colonizados reveló una fase deshidratada de sulfato de calcio, lo que sugiere que extraen agua de la roca para sobrevivir", dijo David Kisailus, autor principal y profesor de ciencia de materiales e ingeniería de la UCI. "Queríamos hacer algunos experimentos más controlados para validar esa hipótesis".

Luego, el equipo de DiRuggiero permitió que los organismos colonizaran cubos de rocas de medio milímetro, llamados cupones, en dos condiciones diferentes, una en presencia de agua, para imitar un ambiente de alta humedad, y la otra completamente seca. En medio de la humedad, el yeso no se transformó en la fase de anhidrita.

"No necesitaban agua de la roca, la obtenían de sus alrededores", dijo Kisailus. “Pero cuando fueron sometidos a condiciones de estrés, los microbios no tuvieron otra alternativa que extraer agua del yeso, induciendo esta transformación de fase en el material”.

El equipo de Kisailus utilizó una combinación de microscopía avanzada y espectroscopía para examinar las interacciones entre las contrapartes biológicas y geológicas, y encontró que los organismos perforan el material como minúsculos mineros al excretar una biopelícula que contiene ácidos orgánicos, dijo Kisailus.

Huang usó un microscopio electrónico modificado equipado con un espectrómetro Raman para descubrir que los organismos usaban el ácido para penetrar la roca en direcciones cristalográficas específicas, solo a lo largo de ciertos planos donde podían acceder más fácilmente al agua existente entre las caras de los iones de calcio y sulfato.

Kisailus dijo que el proyecto fue una gran demostración de investigación interdisciplinaria entre microbiólogos y científicos de materiales que, algún día, podría abrir puertas a otras formas de descubrimiento científico.

"Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que los microorganismos podrían extraer agua de los minerales, pero esta es la primera demostración de ello", dijo DiRuggiero. "Esta es una estrategia de supervivencia asombrosa para los microorganismos que viven en el límite seco de por vida, y proporciona limitaciones para guiar nuestra búsqueda de vida en otros lugares".

Los investigadores dijeron que este estudio puede beneficiar los esfuerzos del Laboratorio de Investigación del Ejército en biología sintética.

"Estos hallazgos han atraído el interés de nuestro laboratorio, ya que los mecanismos de supervivencia microbiana pueden aprovecharse para la biofabricación o las plataformas de detección en entornos militares hostiles", dijo el Dr. Matthew Perisin, de la rama de biotecnología del laboratorio.

Imagen de encabezado: en el desierto de Atacama, en el norte de Chile, uno de los lugares más secos de la Tierra, los microorganismos viven debajo de capas delgadas de roca para obtener cierta protección contra los fuertes vientos y la radiación solar. El agua, aunque limitada, se almacena como elemento estructural dentro de estas rocas. Crédito: David Kisailus, Universidad de California - Irvine


Cómo las cianobacterias productoras de oxígeno facilitaron la vida compleja

Hace 2,43 mil millones de años. La fuente, según la ciencia, fue la fotosíntesis de las cianobacterias. Pero, ¿por qué ocurrió tan tarde este cambio tan importante? La vida de las cianobacterias existía, como muestran las muestras de rocas, al menos 300 millones de años antes del GOE. Achim Herrmann, who is researching the spread of early cyanobacteria in his doctoral thesis at TU Kaiserslautern, is hot on the trail for answers. His current research paper has now been published in the journal Comunicaciones de la naturaleza.

“There are many scientific theories that intertwine to explain why the proliferation of cyanobacteria required for the GOE was delayed,” explains Herrmann, who is working on his doctorate with Michelle Gehringer in Geomicrobiology. “For example, they may have originated in fresh water, which covered then, as now, only a fraction of Earth’s surface. It wasn’t until they adapted to saltier waters and finally inhabited the open ocean that they were able to form sufficient amounts of biomass to cause a global change in Earth’s atmosphere.” Another theory is that the iron-rich ocean water may have initially been toxic to the photosynthesizing bacteria. Iron had accumulated in the marine environment predominantly in the form of highly soluble, reduced iron(II) ions during the Earth’s then oxygen free “Archean” age.

In his research Herrmann built upon the iron toxin hypothesis. “We wanted to check whether iron(II) inhibits not only modern Cyanobacteria but also more primitive, marine strains, specifically Pseudanabaena sp. PCC7367 and Synechococcus sp. PCC7336, in their growth and photosynthetic activity,” said the biologist.

It quickly became apparent how crucial the experimental setup is. In already established systems where the bacteria are cultivated in closed glass bottles without oxygen, they demonstrated almost no growth: “The biological activity was very low in both strains, and almost completely suppressed in Synechococcus,” Herrmann says. The solution: “A custom-built anaerobic workstation from the TUK metal workshop, in whose chambers the composition of the atmosphere can be regulated fully and automatically,” he says. “Using this setup, we cultivated the cyanobacteria in large laboratory bottles with gas-permeable lids to allow gas exchange. The oxygen they produced was regularly removed from the system, and carbon dioxide was kept constant at proposed Archean atmospheric levels. Thus, we were able to realize a shallow marine oxygen oasis as implied in Archean rock samples.”

As expected, the cyanobacteria “felt more comfortable” in the more authentic environment. But what happened when iron was injected in increasing concentrations? The bacteria from the Pseudanabaena strain grew consistently well, but more slowly than in the control system. In contrast, the Synechococcus strain clearly decreased its rate of cell division as iron increased. The oxygen produced primarily oxidized the dissolved Fe(II) ions instead of escaping into the atmosphere. And the oxygen production rate for both strains reached significantly higher values in the anoxically adjusted experimental environment than in the control setup with an oxygenated atmosphere, like that which surrounds us today. This would suggest that modern day atmospheric oxygen levels impair photosynthesis when compared to the anoxic atmosphere of Earth’s past.

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In addition, the formation of green rust, a mix of Fe(II) and oxidized iron Fe(III), was shown only in the culture system developed by Herrmann. The formation of green rust was accompanied by a strong decrease of biological activity, probably caused by iron oxides encrusting the bacterial cells. During the Archean, the formation of such green rust may have contributed decisively to banded iron formations, the most important source of iron ore today.

Finally, Herrmann changed the experimental scenario once again and simulated iron conditions for a tidal zone. Iron was added at night, when oxygen concentrations dropped towards zero due to no photosynthetic activity. The result: growth slowed significantly in both strains, but never stopped completely. This indicates that an Archean oxygen oasis could also have tolerated the influx of iron-rich water during the night. Here, too, the formation of green rust occurred, but could be further oxidized quickly and thus did not bring growth to a standstill.

All in all, Herrmann’s research has filled in more gaps in the puzzle of Earth’s history. He was able to illustrate for both cyanobacterial strains how the iron cycle might have proceeded in an Archean oxygen oasis, and that smaller colonized areas would probably have been sufficient for the start of the GOE due to the higher oxygen production rates. He has also developed a concept for growing cyanobacteria that better represents Archaean living conditions.

“I hope that with my research paper, I can help us better understand how our oxygen rich atmosphere was able to evolve in the first place,” Herrmann says.

Provided by: Technische Universität Kaiserslautern

More information: A. J. Herrmann et al. Diurnal Fe(II)/Fe(III) cycling and enhanced O2 production in a simulated Archean marine oxygen oasis. Comunicaciones de la naturaleza (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-22258-1

Imagen: Achim Herrmann is researching the spread of early cyanobacteria.
Crédito: Koziel/TUK


Niches of extant prokaryotic phototrophs

The co-occurrence of cyanobacteria and anoxygenic phototrophs is common in euxinic lakes, phototrophic microbial mats, hot springs and hypersaline lagoons where sufficient fluxes of reduced compounds are available to support anoxygenic photosynthesis. The ability to harvest light and tolerance to oxygen are most often cited as the key factors governing occurrence of phototrophs in ecological niches along stratified water columns and mats. For instance, green and purple sulfur bacteria (GSB and PSB) are found in most sunlit, sulfidic environments, where PSB are generally found at more shallow depths in the water column or mats (Overmann and Garcia-Pichel, 2006 Meyer et al., 2011). GSB have lower light requirements and are generally less tolerant to oxygen. In addition, GSB have higher affinity for sulfide than PSB, conferring a competitive advantage over PSB when reduced sulfur compounds are limiting (Van Gemerden, 1984 Pringault et al., 1999). In contrast, a combination of sulfide and temperature appears to inhibit photosynthesis in alkaline hot springs above ∼70°C (Cox et al., 2011 Boyd et al., 2012 ).

Extant members of the phylum Cianobacterias are metabolically diverse and include species that can perform anoxygenic photosynthesis in the presence of high sulfide (Cohen et al., 1975a,b ) in environments where sulfide is present in the photic zone (Jørgensen et al., 1983 1986 ). Some cyanobacteria can also use hydrogen as an electron donor (Cohen et al., 1986 ), perform sulfide-dependent nitrogen fixation (Belkin et al., 1982 ), and/or grow photoheterotrophically (Kenyon et al., 1972 Rippka et al., 1979 ). This phenotypic diversity enables cyanobacteria to tolerate a variety of environmental extremes, and results in their ability to occupy niches in almost any environment where light is available, including many in which they are important primary producers. For example, benthic cyanobacterial mats in Solar Lake, Sinai, a hypersaline pond, undergo drastic yearly changes in temperature, salinity, oxygen, light and H2S. Cyanobacterial mats in Solar Lake are dominated by metabolically diverse cyanobacteria such as Oscillatoria species that are capable of anoxygenic photosynthesis and phototaxis (Cohen et al., 1975a Krumbien et al., 1977 ). Similar, Formidio species survive freezing and desiccation in Antarctica (Taton et al., 2003 ) and persist in the low O2 conditions in the Middle Island Sinkhole of Lake Huron (Voorhies et al., 2012 ).

In some extant environments such as photic zones where oxygen and sulfide coexist, the ecological niches of anoxygenic phototrophs and cyanobacteria can overlap (Klatt et al., 2011 2013 ). For instance, in some stratified lakes, the oxic/anoxic interface is shallow and supports dense layers of anoxygenic phototrophs. These conditions mimic those thought to be present in areas of the Proterozoic oceans, especially along continental shelf margins. In these systems today, anoxygenic photosynthesis can be the main source of primary production (Van Gemerden and Mas, 1995 ).


Introduction to the Cyanobacteria

Cyanobacteria are aquatic and photosynthetic, that is, they live in the water, and can manufacture their own food. Because they are bacteria, they are quite small and usually unicellular, though they often grow in colonies large enough to see. They have the distinction of being the oldest known fossils, more than 3.5 billion years old, in fact! It may surprise you then to know that the cyanobacteria are still around they are one of the largest and most important groups of bacteria on earth.

Many Proterozoic oil deposits are attributed to the activity of cyanobacteria. They are also important providers of nitrogen fertilizer in the cultivation of rice and beans. The cyanobacteria have also been tremendously important in shaping the course of evolution and ecological change throughout earth's history. The oxygen atmosphere that we depend on was generated by numerous cyanobacteria during the Archaean and Proterozoic Eras. Before that time, the atmosphere had a very different chemistry, unsuitable for life as we know it today.

The other great contribution of the cyanobacteria is the origin of plants. The chloroplast with which plants make food for themselves is actually a cyanobacterium living within the plant's cells. Sometime in the late Proterozoic, or in the early Cambrian, cyanobacteria began to take up residence within certain eukaryote cells, making food for the eukaryote host in return for a home. This event is known as endosimbiosis, and is also the origin of the eukaryotic mitochondrion.

Because they are photosynthetic and aquatic, cyanobacteria are often called "blue-green algae". This name is convenient for talking about organisms in the water that make their own food, but does not reflect any relationship between the cyanobacteria and other organisms called algae. Cyanobacteria are relatives of the bacteria, not eukaryotes, and it is only the cloroplasto in eukaryotic algae to which the cyanobacteria are related.

Click on the buttons below to find out more about the Cyanobacteria.

Imagenes de Nostoc y Oscillatoria provided by the University of Wisconsin Botanical Images Collection.

For more information about cyanobacteria on the web, visit Cyanosite, a webserver dedicated to cyanobacterial research.

Information about the ecology of fresh-water cyanobacteria is available from the Soil and Water Conservation Society of Metro Halifax.

The Tree of Life has a preliminary page on the Cyanobacteria, with some very nice pictures.


Salt of the Early Earth

The next time you reach for that bag of salty chips, think for a moment about salt and life. Humans need a certain amount of salt it is necessary for the delivery of nutrients, the transmission of nerve impulses, and the contractions of the heart and other muscles. In fact, every form of life on this planet needs salt. But why should that be? What role did salt play in the evolution of life on Earth?

Scientists have long assumed that life originated in the sea. If life did spring from salt water, that could explain why all organisms use salt. But Paul Knauth, an astrobiologist with Arizona State University, says while we always assume that life came from the ocean, this theory has never been proven. He suggests we need to consider the possibility that life originated in fresh water.

“Fresh” water is somewhat of a misnomer – all fresh water bodies still do contain some salt. Non-marine salt levels are less than 1 part per thousand, while marine salt levels are around 35 parts per thousand. But when life first appeared around 3.5 billion years ago, the ocean was much saltier than it is today. Estimates of the early ocean’s salinity range between 1.2 to 2 times present-day salinity.

“Life is stressed today in the current ocean, so one can speculate that higher salinities make things even tougher,” says Knauth.

Salt does seem to have played some sort of role in the origin of life – it is the precise concentration of salts that is at issue. In constructing the steps that led to the first life form, many scenarios invoke the concentration of salts through evaporation.

“In the early saltier ocean, this would lead to a real devil’s brew,” says Knauth.

However, non-marine bodies of water have a wide range of changing environments. Knauth says that some of these fresh water environments probably had the optimal salinity for the kinds of molecular assembly proposed for the origin of life.

Shiladitya DasSarma, a professor at the University of Maryland Biotechnology Institute, Center of Marine Biotechnology, agrees that life could have originated in fresh water pools. So long as these pools had a certain amount of organic molecules, prebiotic evolution could have occurred. However, DasSarma thinks that life also could have begun in the early salty ocean. He has found that, due to the low water activity of hypersaline brines, macromolecules can form from organic molecules. A macromolecule is a very large molecule, such as a protein or other polymer.

The macromolecules in these salty waters, combined with other molecules, could have formed membranes capable of Darwinian evolution (and thus be classified as a life form).

Liquid water began accumulating on the surface of the Earth about 4 billion years ago, forming the early ocean. Most of the ocean’s salts came from volcanic activity or from the cooled igneous rocks that formed the ocean floor.

This volcanic activity also created island chains that grew over time. Tectonic plate movement caused these islands to collide, forming thecores of the continents. The continents developed fresh water lakes and ponds through rainfall and other meteorological processes.

Soon after both salty water and fresh water were available, life originated. The oldest fossils we have are from 3.5 billion-year-old cyanobacteria, but life probably emerged even earlier than that. Genetic analysis has shown that the archaean branch of life came first, appearing sometime before bacteria.

Immense bloom of a halophilic (“salt-loving”) archaean species at a salt works near San Quentin, Baja California Norte, Mexico.
Credit: UCMP

One form of archaea is adapted to live in high-salt environments. Known as “halophiles” (“salt lovers”), these organisms live in wet salty environments such as the Dead Sea and Utah’s Great Salt Lake. If halophiles were found to be the most ancient archaeans, the origin of life would point toward very salty water.

The specific antiquity of halophiles is not currently known, but because they breathe oxygen they are not believed to be one of the earliest forms of archaea. Oxygen wasn’t a major component of the Earth’s atmosphere until anaerobic organisms like cyanobacteria began producing it. However, DasSarma has some evidence that halophiles may lie very deeply in the tree of life.

DasSarma and his team have recently sequenced the genome of an extreme halophile called Halobacterium species NRC-1. DasSarma says that when the genes of Halobacterium NRC-1 are compared to other organisms, this halophile seems to be the most ancient archaean.

“This is very unexpected,” says DasSarma. “The small ribosomal RNA-based trees pointed to halophiles as recent relatives of a class of anaerobic archaea called methanogens, which have very simple metabolism involving methane production from inorganic gases.”

DasSarma says the close relationship between halophiles and methanogens never made sense because they do not share physiological capabilities: Halophiles need oxygen methanogens do not. But it turns out halophiles are able to produce energy without oxygen in two ways: from the degradation of arginine, and by using the photosynthetic molecule bacteriorhodopsin.

Perhaps these two methods of non-oxygen energy production are the last remnants from the halophile’s earlier, anaerobic days. As the Earth’s oxygen levels rose 2 billion years ago, the gas would have killed off many anaerobic organisms. In a process called “lateral gene transfer,” halophiles may have borrowed genes from aerobic bacteria in order to survive this increase in oxygen.

“Our analysis of genes in halophiles suggest common ancestry with many bacterial genes, for example, those involved in aerobic respiration,” says DasSarma. “Whether these are recently acquired by lateral gene transfers or have common ancestry with bacteria is currently being analyzed.”

The rise of oxygen as an atmospheric gas changed the face of life on Earth. Many life forms died out, while other life forms adapted to the new gas. But Knauth says the early ocean wouldn’t have absorbed very much of this oxygen. If the ocean was warm in its early days – and Knauth believes that the ocean 3.5 billion years ago was like hot tap water – then the combination of high temperature and high salinity would have resulted in an ocean with very little dissolved oxygen.

Oxygen-use has been linked with the development of complex life forms. Therefore, Knauth says the ancient, anoxic sea would have housed only the simpler organisms like anaerobic bacteria, while aerobic organisms and other complex life forms evolved in fresh water. But another dramatic environmental change was on the horizon: the formation of the continents led to a process that reduced the amount of salt in the ocean. Low-lying continental areas were sometimes flooded by ocean waters, but these shallow seas evaporated relatively quickly – in about 100 million years. The minerals left behind formed large salt basins, and this sequestered salt resulted in lower ocean salinity.

As the ocean cooled and salt basins began to form, the ocean would have been able to absorb more oxygen. This oxygen absorption opened up a new environmental niche for aerobic organisms, and the sea would have seen an explosion of new life forms. In fact, if the salt basins formed around 540 million years ago, Knauth believes ocean salt levels could have had a hand in the Cambrian Explosion.

Scientists still have not figured out what triggered the enormous increase in the diversity of life in the Cambrian era. But salt basins, forming in a brief period of time and decreasing the salinity of the oceans, would have had a profound impact on life.

“The currently favored view for the major control on the Cambrian explosion of life is that atmospheric oxygen levels built up until metazoan life was possible,” says Knauth. “These larger organisms need higher oxygen levels to survive. My point is that it is dissolved oxygen that is critical here, not just the atmospheric level. The arrival of big salt deposits on the continents in the latest Precambrian could have been one of the key factors that allowed the shallower oceans to finally oxygenate enough for metazoans to take to the sea.”

Halophilic life may have been transfered to Earth from Mars meteors.
Crédito: NASA

The role of salt in the origin and evolution of life is still an open question. To find answers, Knauth says scientists need to take a closer look at the depositional environments of sedimentary rocks that hold Precambrian microfossils. But what if the answer is not to be found in the rocks of Earth? If halophiles turn out to be the most ancient life form, perhaps we need to look at the red rocks of Mars for our answers.

Mars originally had much more salt than the Earth, and when Mars lost 50 to 90 percent of its water through evaporation it became even saltier. The Panspermia theory says that life originated elsewhere and then was transferred to Earth by meteors. If the earliest life forms were halophiles, says Knauth, then perhaps we are really Martians.

DasSarma finds the idea of halophilic life on Mars a fascinating concept. He says it may be possible to look for such life on Mars today.

“If indeed Mars is salty and life could have evolved there, it may still be trapped in brine inclusions within salt crystals,” says DasSarma. “Another property of earthly halophiles that may have some bearing on their ability to survive is that these organisms are extremely resistant to solar radiation, and therefore would be excellent candidates for interplanetary travel.”

DasSarma suggests it may be possible to discover what halophiles were like in their early days by studying salt bitterns: hypersaline brines that are left after the commercial production of salt. Like the early ocean, salt bitterns are anoxic as well as extremely salty.

“It is intriguing that the intracellular salt concentrations of modern halophiles resemble the potassium-enriched, sodium-depleted bitterns remaining after the harvesting of marine salt,” says DasSarma.

DasSarma says it may be possible to create a “prebiotic soup” of organic and inorganic components along with brine from a bittern. This mixture perhaps could allow growth of modern halophiles exhibiting some of their primordial capabilities.

Knauth, meanwhile, is working on the question of whether life evolved in the ocean and adapted to lower salinity environments, or whether life evolved in fresh water and then adapted to life in the oceans. He is looking at the fossil record of various non-marine environments to try to answer this question, and has found some very promising sites in Australia.

“Currently I’m exploring life on land in the Precambrian,” says Knauth. “I’m looking at non-marine environments to see if the fossil record indicates whether life could have originated in that environment rather than in the sea, as we’ve always thought.”


Blue-green algae

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Blue-green algae, también llamado cianobacterias, any of a large, heterogeneous group of prokaryotic, principally photosynthetic organisms. Cyanobacteria resemble the eukaryotic algae in many ways, including morphological characteristics and ecological niches, and were at one time treated as algae, hence the common name of blue-green algae. Algae have since been reclassified as protists, and the prokaryotic nature of the blue-green algae has caused them to be classified with bacteria in the prokaryotic kingdom Monera.

Like all other prokaryotes, cyanobacteria lack a membrane-bound nucleus, mitochondria, Golgi apparatus, chloroplasts, and endoplasmic reticulum. All of the functions carried out in eukaryotes by these membrane-bound organelles are carried out in prokaryotes by the bacterial cell membrane. Some cyanobacteria, especially planktonic forms, have gas vesicles that contribute to their buoyancy. Chemical, genetic, and physiological characteristics are used to further classify the group within the kingdom. Cyanobacteria may be unicellular or filamentous. Many have sheaths to bind other cells or filaments into colonies.

Cyanobacteria contain only one form of chlorophyll, chlorophyll a, a green pigment. In addition, they contain various yellowish carotenoids, the blue pigment phycobilin, and, in some species, the red pigment phycoerythrin. The combination of phycobilin and chlorophyll produces the characteristic blue-green colour from which these organisms derive their popular name. Because of the other pigments, however, many species are actually green, brown, yellow, black, or red.

Most cyanobacteria do not grow in the absence of light (es decir., they are obligate phototrophs) however, some can grow in the dark if there is a sufficient supply of glucose to act as a carbon and energy source.

In addition to being photosynthetic, many species of cyanobacteria can also “fix” atmospheric nitrogen—that is, they can transform the gaseous nitrogen of the air into compounds that can be used by living cells. Particularly efficient nitrogen fixers are found among the filamentous species that have specialized cells called heterocysts. The heterocysts are thick-walled cell inclusions that are impermeable to oxygen they provide the anaerobic (oxygen-free) environment necessary for the operation of the nitrogen-fixing enzymes. In Southeast Asia, nitrogen-fixing cyanobacteria often are grown in rice paddies, thereby eliminating the need to apply nitrogen fertilizers.

Cyanobacteria range in size from 0.5 to 60 micrometres, which represents the largest prokaryotic organism. They are widely distributed and are extremely common in fresh water, where they occur as members of both the plankton and the benthos. They are also abundantly represented in such habitats as tide pools, coral reefs, and tidal spray zones a few species also occur in the ocean plankton. On land, cyanobacteria are common in soil down to a depth of 1 m (39 inches) or more they also grow on moist surfaces of rocks and trees, where they appear in the form of cushions or layers.

Cyanobacteria flourish in some of the most inhospitable environments known. They can be found in hot springs, in cold lakes underneath 5 m of ice pack, and on the lower surfaces of many rocks in deserts. Cyanobacteria are frequently among the first colonizers of bare rock and soil. Various types of associations take place between cyanobacteria and other organisms. Certain species, for example, grow in a mutualistic relationship with fungi, forming composite organisms known as lichens.

Cyanobacteria reproduce asexually, either by means of binary or multiple fission in unicellular and colonial forms or by fragmentation and spore formation in filamentous species. Under favourable conditions, cyanobacteria can reproduce at explosive rates, forming dense concentrations called blooms. Cyanobacteria blooms can colour a body of water. For example, many ponds take on an opaque shade of green as a result of overgrowths of cyanobacteria, and blooms of phycoerythrin-rich species cause the occasional red colour of the Red Sea. Cyanobacteria blooms are especially common in waters that have been polluted by nitrogen wastes in such cases, the overgrowths of cyanobacteria can consume so much of the water’s dissolved oxygen that fish and other aquatic organisms perish.

This article was most recently revised and updated by Chelsey Parrott-Sheffer, Research Editor.


Could cyanobacteria terraform Mars?

That blue-green algae has implications for astrobiology.

The bacteria that 3.5 billion years ago were largely responsible for the creation of a breathable atmosphere on Earth could be press-ganged into terraforming other planets, research suggests. A team of biologists and chemists from Australia, the UK, France and Italy has been investigating the ability of cyanobacteria – also known as blue-green algae – to photosynthesise in low-light conditions.

Cyanobacteria are some of the most ancient organisms around, and were responsible, though photosynthesis, for converting the Earth’s early atmosphere of methane, ammonia and other gases into the composition it sustains today.

The photochemistry used by the microbes is pretty much the same as that used by the legion of multicellular plants that subsequently evolved. The process involves the use of red light. Most plants are green because chlorophyll is bad at absorbing energy from that part of the visible light spectrum, and thus reflects it.

Light itself, however, is a critical component for photosynthesis, which is why plants (and suitably equipped bacteria) fail to grow in very dark environments. Just how dark such environments need to be before the process becomes impossible was the focus of the new research.

The team of scientists, which included Elmars Krausz from the Australian National University in Canberra, tested the ability of a cyanobacterial species called Chroococcidiopsis thermalis to photosynthesise in low light.

Previously it had been widely thought that the necessary photochemistry shut down at a light wavelength of 700 nanometres – a point known as the “red limit”.

Krausz and his colleagues, however, found that C. thermalis continued to photosynthesise at wavelengths up to 750 nanometres. The finding not only represents a significant extension of the low-light photosynthesis limit, but also describes a system that can function using much less biological fuel. The researchers call it an “unprecedented low-energy photosystem”.

The key, the scientists discovered, lies in the presence of previously undetected long-wavelength chlorophylls, which perform the necessary charge separation. The researchers traced the origin of these chlorophylls back to the C. thermalis genome, and discovered that it was located in a specific gene cluster that is common in many cyanobacterial species – suggesting that the ability to surpass the red limit is common.

To Krausz this low-light ability holds promise for the use of cyanobacteria as frontline terraforming agents. Establishing colonies on other planets would set in motion an atmospheric transformation that should – eventually – result in human-friendly conditions.

Of course, if some astrobiological theories are correct, cyanobacteria (or, at least, similar lifeforms) may already exist on other planets – in which case their ability to survive in harsh low-light conditions suggests a new target for detection.

“This might sound like science fiction, but space agencies and private companies around the world are actively trying to turn this aspiration into reality in the not-too-distant future,” says Krausz.

“Photosynthesis could theoretically be harnessed with these types of organisms to create air for humans to breathe on Mars.

“Low-light adapted organisms, such as the cyanobacteria we’ve been studying, can grow under rocks and potentially survive the harsh conditions on the red planet.”

La investigación se publica en la revista Ciencias.

Andrew Masterson

Andrew Masterson is a former editor of Cosmos.

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