La enzima nitrogenasa se remonta al ancestro común universal de todas las células hace más de cuatro mil millones de años.
Encontrada solo en bacterias hoy en día, sin embargo, la nitrogenasa es esencial para la producción de oxígeno a partir del agua en la fotosíntesis, convirtiendo esto en algo instrumental en cómo las bacterias acuáticas produjeron el primer oxígeno molecular de la Tierra hace 2.500 millones de años.
«Durante la mitad de los 4.600 millones de años de existencia de la Tierra, la atmósfera contenía solo dióxido de carbono y nitrógeno, sin oxígeno, pero esto cambió cuando las cianobacterias, también conocidas como algas verdeazuladas, comenzaron a producir el primer oxígeno usando nitrógenoasa. Esto conllevó al Gran Evento de Oxidación «, explicó el autor del estudio, el profesor John Allen (UCL Genetics, Evolution and Environment).
«Pero en lugar de aumentar de manera constante, los niveles de oxígeno atmosférico se estabilizaron en un 2% en volumen durante aproximadamente dos mil millones de años antes de aumentar al nivel actual del 21%. Las razones de esto han sido debatidas durante mucho tiempo por los científicos y creemos que finalmente hemos encontrado un simple pero robusta respuesta», agregó.
El estudio, publicado en la revista científica Trends in Plant Sciences por investigadores de la UCL, la Universidad Queen Mary de Londres y la Universidad Heinrich-Heine-Universitat Dusseldorf, propone por primera vez que el oxígeno atmosférico producido usando nitrogenasa bloqueó el funcionamiento de esta enzima.
Este ciclo de retroalimentación negativa evitó que se produjera más oxígeno e inició un largo período de estancamiento en la historia de la Tierra hace unos 2.400 millones de años.
Con una duración de casi dos mil millones de años, el Eón Proterozoico vio muy pocos cambios en la evolución de la vida, la composición del océano y la atmósfera y el clima, lo que llevó a algunos a llamarlo el ‘mil millones aburrido’.
«Hay muchas ideas sobre por qué los niveles de oxígeno atmosférico se estabilizaron al 2% durante un período de tiempo tan increíblemente largo, incluido el oxígeno que reacciona con los iones metálicos, pero notablemente, el papel clave de la nitrogenasa se ha pasado por alto por completo», dijo el profesor coautor del estudio William Martin de la Heinrich-Heine-Universitat Dusseldorf, en Alemania.
«Nuestra teoría es la única que explica el impacto global en la producción de oxígeno durante un período de tiempo tan prolongado y explica por qué pudo elevarse a los niveles que vemos hoy, alimentando la evolución de la vida en la Tierra».
El equipo dice que el ciclo de retroalimentación negativa terminó solo cuando las plantas conquistaron la tierra hace unos 600 millones de años.
Cuando emergieron las plantas terrestres, sus células productoras de oxígeno en las hojas se separaron físicamente de las células que contienen nitrogenasa en el suelo. Esta separación permitió que el oxígeno se acumulara sin inhibir la nitrogenasa.
Esta teoría está respaldada por evidencia en el registro fósil que muestra que las cianobacterias habían comenzado a proteger la nitrogenasa en células dedicadas llamadas heterocistos hace unos 408 millones de años, una vez que los niveles de oxígeno ya aumentaban por la fotosíntesis en las plantas terrestres.
«La Nitrogenasa es esencial para la vida y el proceso de la fotosíntesis, ya que fija el nitrógeno en el aire en amoníaco, que se utiliza para producir proteínas y ácidos nucleicos», dijo la coautora, Brenda Thake de la Universidad Queen Mary de Londres.
«Sabemos, por estudiar las cianobacterias en condiciones de laboratorio, que la nitrogenasa deja de funcionar a niveles atmosféricos superiores al 10% actual, que es del 2% en volumen, ya que la enzima es rápidamente destruida por el oxígeno. A pesar de que los biólogos lo saben, no sido sugerido como conductor detrás de uno de los grandes misterios de la Tierra, hasta ahora», expresó.
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