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El legado de las cianobacterias

Cuando en el colegio nos explicaban qué era un ser vivo, nos decían que todos ellos compartían tres características básicas: se nutren, se relacionan y se reproducen. Otra definición más básica podría ser que es todo aquello que sobrevive. Y es que si tuviésemos que darle un sentido a la vida, no sería otro que el de sobrevivir un día más. Siendo la evolución el proceso por el que los linajes consiguen mantenerse en el tablero de la Tierra. Todo este juego de ensayo, error (extinción) y acierto (un día más), ha dado lugar a un sinfín de estrategias ingeniosas, que cautivan a científicos y profanos por igual.

La existencia del pez volador o la planta carnívora son soluciones increíbles, dignas de aparecer en un documental. Pero debemos tener en cuenta que en este juego, valdrá cualquier estrategia que garantice una nueva generación de retoños. De esta forma, las más sosas pero más eficientes campan a sus anchas para disgusto de los divulgadores.

¿Puede haber algo con menos arte que una mala hierba creciendo en tu jardín? Más que interesante, se diría que es un fastidio. ¿Y qué me dicen de esas algas con las que nos rozamos cuando nos bañamos en la playa? Sin embargo, ellas comparten algo que es tan eficiente que se ha vuelto común. Y, de tan común, se ha vuelto incluso invisible a ojos del gran público. Es tan eficaz, que una de las enzimas implicadas en este proceso, la RuBisCO, es considerada la más abundante del planeta.

La historia que aquí os voy a contar habla sobre unos pequeños microorganismos, las cianobacterias, cuya supervivencia y adaptación lo cambió todo. Hablaremos de como muchos organismos tomaron su legado, la fotosíntesis, catapultando la evolución sobre la Tierra. Les prometo casos impresionantes, pero también que aprenderán a apreciar aquella planta que invade su maceta, el alga que se les pega a la piel, una mancha extraña en una roca o el agua verde y sucia de una charca.

La aparición de las cianobacterias supuso un cambio en la composición global de la atmósfera terrestre.

La aparición de las cianobacterias supuso un cambio en la composición global de la atmósfera terrestre.

Pero antes de entrar en materia, tomemos una noción básica de taxonomía. A muy grosso modo los biólogos clasifican la vida en esta escala: dominio, reino, filo, familia, género y especie. Siendo el dominio la categoría taxonómica más alta. Sabiendo esto, ya podemos empezar la historia.

La capacidad de sintetizar materia orgánica usando luz solar, un donador de electrones y materia inorgánica surgió en los albores de la vida. Se cree que el origen de los primeros organismos data de hace 3.800 millones de años, durante el periodo Precámbrico. Durante miles de años la vida evolucionó originando los dominios que actualmente los biólogos identifican como bacterias y arqueas. Pero durante este tiempo la fotosíntesis que se producía era de tipo anoxigénica, que aunque daba para comer, no tiene un rendimiento energético alto. Aunque eso no impide que actualmente existan bacterias que la sigan usando. Dicha estrategia está basada en el sulfuro de hidrógeno como donador de electrones, proceso tras el cual se liberaba azufre.

En un momento determinado de la evolución, un grupo de microorganismos dio un salto de gigante al desarrollar la fotosíntesis oxigénica. Son los protagonistas de nuestra historia: las cianobacterias. Este nuevo tipo de metabolismo usaba el agua como donador de electrones (recurso muy abundante) y, lo más importante para el resto de la vida, liberaba oxígeno, que era tóxico para la gran mayoría. Además dicho proceso aportaba más energía que el tipo anoxigénico, lo cual será relevante para la continuación de la historia.

La liberación de oxígeno provocó un cambio a nivel global, al hacer que se pasase a una atmósfera rica en oxígeno. Este es el primer legado de las cianobacterias, el ecológico, tras el cual la gran mayoría de las formas basan su metabolismo en el oxígeno. Es lo que se ha denominado Gran Oxidación, ocurrida hace 2.400 millones de años. Sólo podemos imaginar la extinción que supuso aquel cambio en toda la biosfera.

Mientras unos mermaban, las cianobacterias ganaban la partida gracias al as que tenían en la manga. Sin embargo, a la largo de la evolución, otros organismos han usado en su propio beneficio a estas pequeñas. De esta forma, la fotosíntesis ha sido incorporada en otras líneas evolutivas que nunca la tuvieron en su catálogo. Se nos revela así un aspecto de la evolución más allá de la estrecha visión de la supervivencia del más fuerte.

Árbol de la vida donde aparecen algunas de las endosimbiosis secundarias más importantes.

Árbol de la vida donde aparecen algunas de las endosimbiosis secundarias más importantes.

Para seguir esta historia debemos situarnos un poco más arriba de la base del árbol de la vida. Justo en el alumbramiento del otro gran dominio: los eucariotas. El surgimiento de este grupo fue un pacto entre especies de distintos dominios, que ocurrió mediante lo que se conoce como endosimbiosis. Durante este proceso, una arquea incluyó en su interior a una bacteria que era capaz de obtener energía de la materia orgánica usando oxígeno. Este metabolismo se conoce como respiración y los eucariotas la realizamos en las mitocondrias, los ancestros de esas bacterias.

Este modelo de evolución de los eucariotas, propuesto por Lynn Margulis, cambia nuestra visión del árbol de la vida. Para representar la evolución siempre hemos dibujado ramas que se separan y alejan las unas de las otras. Pero la simbiosis, proceso por el que dos especies o más obtienen un beneficio al cooperar, hace que se llegue al extremo de que dos ramas se vuelvan a fusionar.

La base del árbol eucariota está formado por varias ramas, entre las que destacan aquellas que representan al reino Animalia, Plantae y Fungi (hongos). El resto de linajes son los que se conocen como protistas que, ante la falta actual de datos evolutivos, los investigadores suelen agrupar de diferentes formas. Pero, aunque no deja de ser un cajón de sastre, hay cierta luz que nos permitirá seguir dibujando el legado de las cianobacterias.

Las cianobacterias son los antepasados de todos los cloroplastos.

Las cianobacterias son los antepasados de todos los cloroplastos.

Avanzamos por la rama eucariota en busca de nuestras pequeñas amigas. Su legado evolutivo comienza cuando ocurre una nueva endosimbiosis. En este caso será entre un primitivo microorganismo eucariota y una cianobacteria, la cual es el antepasado de todos los cloroplastos. De esta forma, se vuelve a producir una fusión de las ramas que dará a los eucariotas la capacidad de realizar la fotosíntesis. Y ésta no será la última, por lo que entre los biólogos es conocida como endosimbiosis primaria.

La endosimbiosis que generó las mitocondrias y los cloroplastos supuso la total anulación de la autonomía de los organismos que les precedieron (bacterias respiratorias y cianobacterias). Hoy en día no son considerados organismos, sino orgánulos de otros, llegando a perder la gran mayoría de su material genético. Mientras la otra parte de su ADN se trasladó al núcleo del huésped, sólo quedando un pequeño residuo que hoy en día es una de las pruebas que avalan esta teoría. Por todo ello, algunos autores hablan de que este tipo de simbiosis es más bien una forma de secuestro.

Esquema donde aparecen los distintos tipos de endosimbiosis que implican capacidad fotosintética.

Esquema donde aparecen los distintos tipos de endosimbiosis que implican capacidad fotosintética.

Tras la aparición del cloroplato, se inaugura una nueva rama evolutiva entre cuyos linajes podemos destacar las algas rojas, las algas verdes y las plantas terrestres. De momento nos centraremos en la línea de las algas verdes, primogénitas de todas las plantas: briofitas (musgo), helechos y plantas superiores. La gran biodiversidad de plantas es quizás el mayor legado evolutivo de las cianobacterias. Con más de 320.000 especies, las plantas son los segundos organismos más diversos detrás de los insectos, que cuentan con la aplastante cifra de más de un millón de especies.

Otra línea de algas verdes está en el origen de grupos protistas, que surgieron tras un proceso de endosimbiosis secundaria. Esto sucedió tras la fusión de un eucariota no fotosintético y un alga verde. Este proceso se ha dado muchas más veces, teniendo como protagonistas fotosintéticos a algas verdes y rojas. En algunos grupos de protistas las endosimbiosis se han sucedido hasta llegar a terciaria e incluso a una cuarta. De esta forma aparecen organismos que, como las muñecas rusas, guardan tras varias membranas celulares a un descendiente de las cianobacterias.

No lejos de la rama de las algas verdes, pero sin fusionarse, se encuentran los hongos. Éstos han seguido su camino evolutivo, pero algunas de sus especies han evolucionado hacia una simbiosis con algas verdes o con cianobacterias. De la relación entre un hongo y un organismo fotosintético, conocidos como ficobiontes, surgen los líquenes. Aquellas extrañas manchas en la roca que parecen no estar vivas y a las que no solemos prestar atención.

Los líquenes son una simbiosis entre un hongo y una cianobacteria o un alga verde.

Los líquenes son una simbiosis entre un hongo y una cianobacteria o un alga verde.

La relación entre un hongo y su ficobionte es muy estrecha, tanto que algunas especies no pueden vivir la una sin la otra. En este acuerdo, el hongo recibe la materia orgánica que se produce en la fotosíntesis y el ficobionte obtiene un refugio húmedo. De esta forma el alga verde o la cianobacteria pueden colonizar ecosistemas que no estarían a su alcance de hacerlo solas. Alrededor del 20 % de las especies de hongos se benefician de este tipo de relación. Al tratarse de una simbiosis, el organismo fotosintético no es integrado en la célula de su hospedador. Lo que ocurre es que el hongo emite unas prolongaciones, conocidas como haustorios, que llegan a penetrar en algunos casos en las células del ficobionte.

Llegados a este punto podemos hablar de una simbiosis realmente impactante. Los líquenes pueden ser muy bonitos, pero las algas verdes preparan una sorpresa. En el año 2011 se comprobó que la especie de salamandra Ambystoma maculatum tiene una relación simbionte con el alga Oophila amblystomatis. Su nombre específico (amblystomatis) significa que le gustan los huevos de salamandra. Y es que esta especie no aparece en ningún otro lugar que no sea los huevos del huésped. Sin embargo, en este caso el alga verde no aporta comida, sino oxígeno para el embrión de la salamandra. Esta relación ha sido descrita en otros anfibios, por lo que todo indica que no es una rareza, sino un fenómeno que apenas conocíamos.

La coloración de los huevos de Ambystoma maculatum (una especie de salamandra) se debe a su simbiosis con

La coloración de los huevos de Ambystoma maculatum (una especie de salamandra) se debe a su simbiosis con

Pero volvamos a la rama de los eucariotas fotosintéticos, ya que nos queda un linaje por evaluar. Y créanme el final de este viaje quizás es lo más interesante, preparen sus cámaras. Si aún no se han perdido por el árbol de la vida, recordarán que hemos mencionado un grupo conocido como las algas rojas. Fruto de la fusión entre un alga roja y otro eucariota no fotosintético, se da otra endosimbiosis secundaria de la que surgen los Chromalveolata. Este grupo taxonómico es muy importante, pues engloba a organismos fotosintéticos que entran en simbiosis con animales. Saltándonos algunas clasificaciones taxonómicas, llegamos a los dinoflagelados, donde se encuentran las zooxantelas. Su nombre viene a significar “pequeños animales amarillos” pero no lo son. Un género en concreto, Symbiodinium, es muy importante pues realiza simbiosis con todo tipo de organismos marinos: corales, medusas, esponjas, almejas gigantes, gusanos y protistas. En este caso, el organismo fotosintético se encuentra dentro de las células del huésped, al que le ofrece comida a cambio de alojamiento.

Los corales son un importante ejemplo de simbiosis con zooxantelas.

Los corales son un importante ejemplo de simbiosis con zooxantelas.

Su alianza con los corales formadores de arrecifes es considerada como la más importante. Estas formaciones tienen un alto valor tanto económico (pesca, turismo, protección costera, etc.) como biológico al tratarse de puntos calientes de biodiversidad. Esta relación se está estudiando a fondo, ya que su ruptura estaría detrás del fenómeno conocido como blanqueamiento del coral. Este proceso ocurre actualmente debido al calentamiento global. Sucede porque al subir la temperatura, la zooxantela rompe la simbiosis abandonando al coral a su suerte.

No podemos despedirnos de las zooxantelas sin mencionar su relación con las medusas de oro, que habitan en una de las Islas Roca de Palaos. Aquí encontramos el lago de las Medusas, declarado Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO en 2012. Dicho lago es de agua salada y en él quedaron atrapadas una población de medusas del género Mastigias, tras cerrarse el paso a mar abierto. El aislamiento y la falta de alimento propiciaron la simbiosis con zooxantelas que le proporcionan gran parte del alimento que necesitan. Lo único que tienen que realizar estas medusas es recorrer la superficie del lago siguiendo los rayos del Sol.

Las medusas del género Mastigias presentan una simbiosis con zooxantelas que les permiten vivir de la luz del Sol.

Las medusas del género Mastigias presentan una simbiosis con zooxantelas que les permiten vivir de la luz del Sol.

Dentro de los Chromalveolata también nos encontramos a la especie Vauchera litorea, un tipo de alga verde amarilla. Ella será una de las protagonistas de la historia final de este viaje. Y en este caso no se trata de una simbiosis, ni de una endosimbiosis, sino de un asesinato y robo. Su asesino, o mejor dicho depredador, son las babosas marinas del género Elysia. Éstas se alimentan de algas como nuestra verde amarillenta amiga, de las que extrae cloroplastos y los asimila en las células de sus intestinos. De esta forma son capaces de realizar la fotosíntesis al robar los orgánulos. Este fenómeno es conocido como cleptoplastia. La especie de babosa fotosintética más estudiada es Elysia chlorotica que se alimenta de Vauchera litorea. En su baraja de cartas ya cuenta con ADN del alga en su núcleo celular. Esto le permite controlar los cloroplastos robados, aunque debe alimentarse de ella para obtener los orgánulos, pues no es capaz de pasarlos a su descendencia. Ya les dije que el final era digno de un buen documental.

Los nudibranquios del género Elysia son un fascinante ejemplo de cleptoplastia.

Los nudibranquios del género Elysia son un fascinante ejemplo de cleptoplastia.

La historia aquí presentada es sólo un esbozo del legado evolutivo de las cianobacterias. Existen muchos otros grupos de microorganismos y animales que han incorporado la fotosíntesis a su repertorio de adaptaciones. Sirva, de todas formas, de ejemplo para entender que la evolución es un proceso muy complejo, que tiene como base una idea muy sencilla: sobrevivir con las cartas que tengas. A veces serás el más fuerte, otras tendrás buenos aliados, o simplemente mucha suerte.

Además, pretendo con ello romper el esquema que nos enseñaron en clase: las plantas son las que hacen la fotosíntesis. Bueno, pues ahora sabemos que muchos animales también hacen su comida con un poco de sol, agua y materia inorgánica.

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Palabra de Biólogo (IV). Recopilación de la semana

Consiguen la reproducción en cautividad del mero guasa (Epinephelus itajara) y de la perdiz nival japonesa (Lagopus muta japonica). El primer caso se ha dado en un oceanario, el segundo en un zoológico. Una muestra de que estos centros no son meros sitios de recreo, sino que también pueden cumplir una función en la conservación.

Los leones vuelven a Ruanda 15 años después de que fueran masacrados.

Interesante propuesta de una empresa danesa: la simbiosis industrial.

El caso más famoso de cascada trófica explicado en este vídeo: Cómo los lobos cambiaron los ríos.

Las olas de calor no sólo hacen que tengamos que poner más el aire acondicionado o beber mucha agua. También pone a prueba a los cultivos y las granjas españolas.


Palabra de biólogo (III). Recopilación de la semana.

El parásito Angiostrongylus cantonensis, procedente del sudeste de China, ha llegado a Tenerife de la mano de ratones o ratas. Esta especie puede provocar meningoencefalitis eosinofílica en personas.

El gusano plano de Nueva Guinea (Platydemus manokwari) ha llegado a Florida. Se trata de una de las 100 especies más invasoras. Se alimenta de caracoles, por lo que supone una amenaza para la fauna autóctona que también se alimenta de ellos.

La diversidad de flores silvestres en California está decayendo tras 15 años de inviernos más secos de lo normal.

Describen una simbiosis entre lobos de Etiopía (Canis simensis) y monos gelada (Theropithecus gelada).


Palabra de biólogo (II) Recopilación de la semana

Imagen del virus MERS-CoV, un tipo de coronavirus.

Imagen del virus MERS-CoV, un tipo de coronavirus.

Sigue el brote de Síndrome Respiratorio de Oriente Medio (MERS) en Corea del Sur. Se han registrado 23 víctimas mortales. También se ha confirmado un fallecimiento en Alemania. Mientras, un grupo de investigadores ha descubierto dos mutaciones del virus del MERS que le permitiría pasar de murciélagos a personas.

 

 

En este artículo de I fucking love science explican los últimos intentos para controlar el dengue. El talón de Aquiles de la enfermedad podría ser atacar a su portador: los mosquitos del género Aedes. Se están investigando tres formas: el uso de la bacteria Wolbachia, crear mosquitos transgénicos o mediante hembras mascunilizadas.

 

Flickr puede ayudar a identificar nuevas de hormigas y rastrear su distribución.

Un ejemplo de cómo las especies invasoras pueden favorecer a algunas autóctonas: las tortugas gigantes de las Galápagos encantadas con la introducción de la guayaba o la maracuyá.


Palabra de biólogo (I) Recopilación de la semana

Durante la celebración del Día Mundial del Medio Ambiente se liberaron 400 ejemplares de corvina en la Playa de la Caleta. La corvina (Argyrosomus regius) es una especie de pez que ha desaparecido de las costas españolas. Sólo queda una población en el Golfo de Cádiz.

La BBC ha elaborado estos geniales vídeos en los que muestran la anatomía de un pequeño cocodrilo:

Especies endémicas de islas, como el Echium wildpretii, se estarían comportando como invasoras en distintos puntos del planeta.

Especies endémicas de islas, como el Echium wildpretii, se estarían comportando como invasoras en distintos puntos del planeta.

Más de 30 especies de la flora de Canarias habrían salido de las islas para convertirse en especies invasoras. Entre ellas se encuentra el carismático tajaniste canario (Echiun wildpretti).

En el archipiélago de Palau se han encontrado arrecifes de coral resistentes a la acidificación. Al parecer se trataría de especies que llevan años evolucionando en un medio propenso a cambios bruscos de pH.

En Corea del Sur se ha notificado la séptima muerte por Síndrome Respiratorio de Oriente Medio. Esta enfermedad la causa un coronavirus conocido como MERS. Hay 95 infectados y 2.300 personas en cuarentena. Aunque el gobierno asegura que tiene la situación bajo control.

Actualización 10/06/2015: El número total de fallecidos asciende a nueve.