Hay aproximadamente un billón de especies de microorganismos en la Tierra: la mayoría de ellos son bacterias.
Las bacterias contienen una sola célula. No tienen huesos y no son como animales grandes que dejan señales claras sobre el registro geológico, pero los paleontólogos agradecidos pueden estudiar muchos millones de años después.
Es muy difícil para los científicos establecer su tiempo de evolución temprano. Pero con la ayuda del aprendizaje automático, podemos llenar muchos detalles. Nuestra nueva investigación, publicada en Science Today, revela que algunas bacterias han desarrollado la capacidad de usar oxígeno antes de que la Tierra se saturara hace aproximadamente 2.400 millones de años.
Un evento de recuerdo en la historia de la tierra
Hace unos 4.500 millones de años, se formó la luna. Violentamente. El material del tamaño de Marte colisionó con la tierra, convirtiendo su superficie en una roca derretida. Si la vida existe antes de esta tragedia, probablemente puede ser destruida.
Después de eso, aparecieron los antepasados actuales de todos los organismos: microorganismos de una sola célula. Para el primer 80% de la historia de la vida, la tierra vivió solo por estos microorganismos.
Como se mencionó en 1973, el biólogo evolutivo Theodosius Dobhansky, como se mencionó en 1973, no hay nada en biología, excepto la luz de la evolución. Pero, ¿cómo continuó la evolución de la vida a través de la historia temprana de la vida?
Las secuencias de ADN pueden decirnos cómo los diferentes grupos están relacionados entre sí en comparación con la maravillosa variedad que vemos hoy. Por ejemplo, estamos más estrechamente relacionados con los hongos que los manzanos humanos. Del mismo modo, tales comparaciones nos dicen cómo se relacionan los diferentes grupos de bacterias entre sí.
Pero la comparación de las secuencias de ADN nos lleva solo hasta ahora. Las comparaciones de ADN no dicen cuándo hubo eventos evolutivos en la historia de la Tierra. En un momento, una criatura reprodujo dos descendientes. Uno de ellos condujo a los hongos, otro para los humanos (y suficientes otras especies). ¿Pero cuándo estaba viviendo exactamente esa criatura? ¿Cuántos años?
Una cosa que la geología nos enseña es la existencia de otro monumento en la historia de la Tierra hace 2.400 millones de años. En ese momento, la atmósfera de la Tierra cambió drásticamente. Un grupo de bacterias conocidas como cianobacterias ha inventado un truco que cambia permanentemente la historia de la vida: la fotosíntesis.
La cosecha de energía del sol transportaba sus células. Pero también produjo un producto de desecho incómodo, el gas oxígeno.
Con los años, el oxígeno en la atmósfera se acumuló lentamente. Antes de este «gran evento de oxidación», la Tierra no tenía oxígeno, por lo que la vida no estaba lista para ello. De hecho, para las bacterias que no se inician, el oxígeno es gas tóxico y, por lo tanto, su liberación a la atmósfera es la extinción de masa. Las bacterias residuales evolucionaron para usar oxígeno, o volvieron a la recesión del planeta que no penetraron.
Árbol bacteriano de la vida
El gran evento de oxidación es especialmente interesante para nosotros, no solo por su influencia en la historia de la vida, sino también una fecha clara para ello. Sabemos que esto sucedió hace unos 2.400 millones de años, y también sabemos más bacterias que han adyacido al oxígeno después de este evento. Hemos utilizado esta información para capas de fechas para el árbol bacteriano de la vida.
Hemos comenzado a entrenar la muestra de inteligencia artificial (IA) (AI) para que las bacterias vivan en oxígeno o no de los genes en ella. Muchas bacterias que vemos hoy usan oxígeno que viven en cianobacterias y océano. Pero muchas, como las bacterias que viven en nuestro intestino, no lo hacen.
A medida que avanzaba el trabajo de aprendizaje automático, fue bastante simple. La energía química del oxígeno cambia significativamente el genoma bacteriano porque el metabolismo celular se organiza en torno al uso de oxígeno y, por lo tanto, hay muchos consejos en los datos.
Hemos aplicado nuestros modelos de aprendizaje automático para caminar a los que las bacterias han utilizado previamente oxígeno. Esto fue posible porque las técnicas modernas permitían estimar cómo las variedades que vemos hoy están relacionadas, pero incluso los genes que cada antepasado transportaba en su genoma.
GSFC/NASA
Un giro maravilloso
Al utilizar efectivamente el evento geológico en todo el planeta del gran evento de oxidación como un punto de calibración «fósil», nuestro enfoque produjo un tiempo detallado de evolución bacteriana.
Pudimos revisar significativamente el tiempo de evolución bacteriana combinando los resultados de la geología, la paleontología, la filogenética y el aprendizaje automático.
Nuestros resultados también revelaron un giro sorprendente: algunas genealogías bacterianas capaces de usar oxígeno existieron unos 900 millones de años antes de la gran oxidación. Esto indica que estas bacterias han evolucionado la capacidad de usar oxígeno incluso si el oxígeno atmosférico es raro.
Significativamente, nuestros hallazgos indican que las cianobacterias han evolucionado la capacidad de usar oxígeno antes de desarrollar la fotosíntesis.
Este marco no solo remota nuestra comprensión de la historia de la evolución bacteriana, sino que también describe cómo las habilidades de la vida han evolucionado en respuesta al entorno cambiante de la Tierra.
