Amigos para siempre: una lección sobre el origen de las plantas

comecocos

«Vino palabra de Jehová a Jonás hijo de Amitai, diciendo: levántate y ve a Nínive, aquella gran ciudad, y pregona contra ella; porque ha subido su maldad delante de mí. Y Jonás se levantó para huir de la presencia de Jehová a Tarsis, y descendió a Jope, y halló una nave que partía para Tarsis; y pagando su pasaje, entró en ella para irse con ellos a Tarsis, lejos de la presencia de Jehová. Pero Jehová hizo levantar un gran viento en el mar, y hubo en el mar una tempestad tan grande que se pensó que se partiría la nave. Y los marineros tuvieron miedo, y cada uno clamaba a su dios; y echaron al mar los enseres que había en la nave, para descargarla de ellos. Pero Jonás había bajado al interior de la nave, y se había echado a dormir. Y el patrón de la nave se le acercó y le dijo: ¿Qué tienes, dormilón? Levántate, y clama a tu Dios; quizá él tendrá compasión de nosotros, y no pereceremos. Y dijeron cada uno a su compañero: venid y echemos suertes, para que sepamos por causa de quién nos ha venido este mal. Y echaron suertes, y la suerte cayó sobre Jonás. Entonces le dijeron ellos: Decláranos ahora por qué nos ha venido este mal. ¿Qué oficio tienes, y de dónde vienes? ¿Cuál es tu tierra, y de qué pueblo eres? Y él les respondió: soy hebreo, y temo a Jehová, Dios de los cielos, que hizo el mar y la tierra. Y aquellos hombres temieron sobremanera, y le dijeron: ¿por qué has hecho esto? Porque ellos sabían que huía de la presencia de Jehová, pues él se lo había declarado. Y le dijeron: ¿Qué haremos contigo para que el mar se nos aquiete? Porque el mar se iba embraveciendo más y más. Él les respondió: tomadme y echadme al mar, y el mar se os aquietará; porque yo sé que por mi causa ha venido esta gran tempestad sobre vosotros. Y aquellos hombres trabajaron para hacer volver la nave a tierra; mas no pudieron, porque el mar se iba embraveciendo más y más contra ellos. Entonces clamaron a Jehová y dijeron: te rogamos ahora, Jehová, que no perezcamos nosotros por la vida de este hombre, ni pongas sobre nosotros la sangre inocente; porque tú, Jehová, has hecho como has querido. Y tomaron a Jonás, y lo echaron al mar; y el mar se aquietó de su furor. Y temieron aquellos hombres a Jehová con gran temor, y ofrecieron sacrificio a Jehová, e hicieron votos. Pero Jehová tenía preparado un gran pez que tragase a Jonás; y estuvo Jonás en el vientre del pez tres días y tres noches» (Jonás 1: 1-17).

Si Dios hizo el mundo en seis días –el séptimo bendijo–, y el universo tiene más o menos 13.700 millones de años, tres días dentro del pez es mucho tiempo, unos 5.900 millones de años. Si la vida surgió en la Tierra hace unos 3.800 millones de años en un océano embravecido –al que suelen denominar “caldo primitivo”– y las primeras células eucariotas (las de los posteriores animales, plantas, hongos, entre otros) surgieron hace unos 2.000 millones después de que una bacteria se tragase a otra y no la digiriera bien, entonces todo esto significa que tenemos aproximadamente unos 3.900 millones de años de tranquilidad por que las bacterias mal digeridas salgan de nuestras células provocándonos una intoxicación fatal debido al venenoso oxígeno. Porque claramente el texto anterior trata del origen de las plantas y los animales, aunque: ¿cómo iban a saberlo los antiguos hebreos?

Jonah and the Whale (1621), del pintor holandés Pieter Lastman. ¿Qué si no estaba representando?  

También sabían lo que se hacían Dan O’Bannon y Ronald Shusett al escribir el guion de Alien, la película del 79 dirigida por Ridley Scott. No es casual que el xenomorfo se introduzca por el sistema digestivo del huésped, que resista a su digestión y se desarrolle en su interior hasta un fatal desenlace del que la Biblia nos avisa que no debemos preocuparnos todavía. Porque claramente este endoparasitismo es una referencia espeluznante de la endosimbiosis del origen de plantas y animales, aunque: ¿cómo iban a saberlo los ingenuos espectadores?

Lynn Margulis no era antigua ni ingenua, así que ella sí que supo leer las señales al revolucionar la biología evolutiva con la teoría de la endosimbiosis seriada, una teoría que resume la aparición de las células eucariotas, y, en resumen, de todo nuestro mundo, en una mala digestión de una célula ingerida por otra. Una mala digestión, una sola mala digestión seguida de algunas más…

Piloto en la cabina (1978), del artista suizo H. R. Giger, responsable de la imaginería de la película Alien. Este monstruoso alienígena aparece muerto en la propia película. Parece que sus tres días de endosimbiosis ya pasaron.  

Comenzando desde el comienzo

En algún momento surgió la vida en la Tierra. No se sabe si a modo de evento único o tras una sucesión de desafortunados simulacros, pero en algún momento de esa época oscura y remota apareció una célula que es madre o, más científicamente, antepasado común más reciente de todos los seres vivos que han poblado desde entonces el planeta. Por supuesto no hay rastro o evidencia física de él más que la existencia actual de los seres humanos, los murciélagos, las algas o la clamidia, pero la genética y la estadística representan buena prueba de la existencia de ese original ancestro que se ha denominado de forma simbólica como LUCA. Actualmente la estirpe de LUCA está dividida en dos formas de vida celular y en un sinfín de hipótesis de cómo organizarlas taxonómicamente. Así, a grosso modo, el linaje actual de LUCA se agrupa en células procariotas y eucariotas, diferenciándose entre otras cosas en la respectiva ausencia o presencia de un núcleo en el que se organiza el ADN. En el grupo de las procariotas se enmarcarían dos grandes formas de vida o dominios como son las bacterias y las arqueas –que incluyen algunas de esas “bacterias” que habitan ambientes extremos como las fuentes hidrotermales o los gaseosos intestinos de los rumiantes– y en el de las eucariotas el resto de formas de vida, más complejas que las primeras, desde las amebas a las células de los seres humanos, pasando por las células vegetales y las de los hongos.

Esa es la división a grosso modo, aduciendo a la organización de la célula. Si nos fijamos en el origen o en el grado de parentesco de estas tres formas de vida –bacterias, arqueas y eucariotas–, información que comienza a aflorar a partir de los años 70 y 80 con la expansión de la biotecnología y las técnicas genéticas, encontramos que LUCA se diversificó en dos linajes diferentes que nada tiene que ver con la complejidad celular como en la clasificación anterior: una rama estaría formada por las bacterias, mientras que la otra lo estaría por arqueas y eucariotas –las bacterias hidrotermales y nosotros mismos–. Y tras una primera hipótesis lanzada por el prestigioso científico estadounidense Carl Woese, según la cual arqueas y eucariotas tendrían linajes independientes aunque origen común, hoy día más o menos se acepta que los propios eucariotas evolucionamos a partir de una arquea. Esta es la conocida como hipótesis del eocito y fue propuesta en los años 80 por el también estadounidense James Lake.

Aunque aquí aparecen con un aspecto monstruoso, estos diagramas tridimensionales reflejan muy bien las diferencias en complejidad entre una célula procariota (izquierda) y una eucariota (derecha). Crédito: modificación propia a partir de imágenes de Biozone y la Universidad Pública de Navarra.  

Y quizá lo asombroso de todo esto es que una célula eucariota y una arquea –o una bacteria– no se parecen apenas siendo en esencia la misma cosa. Funcionando, de alguna forma, de manera similar, la complejidad de la primera es infinitamente mayor que la de las segundas, siendo diferente la estructura, los componentes o incluso la organización del ADN. Es algo así como un Ferrari y un triciclo. Ambos son vehículos, pero la distancia entre uno y otro es asombrosa. Así, la duda es, si solo existen dos dominios, cómo se dio dentro de uno de ellos ese salto cualitativo, pasando de una “bacteria” a un ser humano, una coliflor o una trufa. La respuesta, como la de todo últimamente, está en la alimentación.

Maneras de vivir

En 1867, el biólogo suizo Simon Schwendener descubrió que los líquenes eran seres compuestos por un alga y un hongo. Poco después se descubrieron las micorrizas, estructuras formadas por hongos y raíces de plantas. En este momento comenzaba a observarse una nueva forma de organización de la vida, la simbiosis, que el botánico alemán Anton de Bary definió, en 1879, como «la convivencia de organismos distintos».

Más tarde, en 1905, el botánico ruso Constantin Mereschkowsky propuso la existencia evolutiva de lo que denominó como simbiogénesis, que sería «el origen de organismos a través de la combinación y la unificación de dos o más seres estando previamente en simbiosis», algo así como la conjunción de ambos organismos para dar origen a uno nuevo y genuino. Y más allá, sugirió que los cloroplastos de las algas (los “cromóforos”), esas estructuras celulares encargadas de realizar la fotosíntesis, una vez tuvieron vida libre fuera de la célula, y se basó en dos observaciones: el gran parecido de los cloroplastos con las cianobacterias, bacterias que realizan la fotosíntesis, y el hecho de que la célula no sea capaz de fabricar cloroplastos, sino que derivan siempre de la división de un cloroplasto anterior.

Los 7 magníficos, de Odra Noel, doctora de la Universidad del País Vasco, ilustra siete cloroplastos en una célula de hoja de espinaca. Ya a principios del siglo XX observaron el gran parecido de estos con las bacterias fotosintéticas.  

Estas observaciones pasaron desapercibidas en el mundo occidental, y no fue hasta el año 1967 que volvió a tomar fuerza esta cuestión. En este año, Lynn Margulis, conocedora de las teorías alemanas y rusas y que estudiando amebas y algas había añadido evidencias de la existencia de ADN fuera del núcleo en las células eucariotas, formuló una amplia hipótesis sobre la evolución de este grupo de células. Así, propuso que tanto las mitocondrias –las estructuras que generan energía dentro de la célula, una suerte de motores–, la base de los flagelos –los tentáculos que dan movimiento–, así como los cloroplastos –las estructuras fotosintéticas– derivan de organismos de vida libre, y así la célula eucariota moderna se originó por la evolución de un proceso de simbiosis –esa convivencia entre organismos– ancestral y seriado. Esta afirmación, sustentada en un comienzo por el hecho de que tanto mitocondrias como cloroplastos poseen ADN funcional en su interior, abrió un extenso debate dentro de la comunidad científica entre los que apoyaban las hipótesis “autógenas”, que afirmaban que la evolución de las células eucariotas se habría producido de manera independiente, y los que apoyaban la nueva teoría “xenógena” propuesta por Margulis, que más tarde se concretaría en la Teoría de la Endosimbiosis Seriada.

El debate más o menos se acabó con la llegada de la biología molecular, o al menos en lo referente a mitocondrias y cloroplastos, pues otros procesos de endosimbiosis que postulaba Lynn Margulis no están muy aceptados por la comunidad. Carl Woese, nombrado anteriormente, obtuvo secuencias de ADN de cloroplastos de algas y de cianobacterias y encontró un fuerte vínculo evolutivo entre ellas, al igual que se encontró entre mitocondrias y α-proteobacterias.

Los padres de la teoría endosimbiótica. De izquierda a derecha: Simon Schwendener, Anton de Bary, Constantin Mereschkowsky, Lynn Margulis y Carl Woese.  

Ardor de estómago

Para entender bien esta teoría, primero hay que explicar que el oxígeno es venenoso para una parte de los organismos vivos. El oxígeno es una agente fuertemente oxidante que puede producir daños en las estructuras celulares y no todos los seres vivos son capaces de respirarlo. Así, la Teoría de la Endosimbiosis Seriada afirma que una arquea para la cual el oxígeno era venenoso engulló y, no siendo capaz de digerirla, estableció una relación de endosimbiosis con una α-proteobacteria capaz de respirarlo. Una ofrecía cobijo y la otra funcionaba de antídoto para el oxígeno. En algún momento de esta relación simbiótica, se produjo una transferencia de parte del ADN de la bacteria respiradora a la bacteria engullidora, de forma que la primera perdió autonomía convirtiéndose finalmente en un orgánulo –un órgano celular– de generación de energía, como son las mitocondrias. Y de este evento fruto de una mala digestión derivamos todos los organismos eucariotas.

Una vez que se originó una célula eucariota con mitocondrias, en algún momento de la historia, una sola vez, hace algo así como 1.500 millones de años, esta célula consumió una cianobacteria, una bacteria a la que le gusta mucho el Sol pues es capaz de utilizar su energía para fabricar su alimento mediante fotosíntesis, y otra vez, sorteando esta última casualmente la digestión, se estableció una relación de endosimbiosis, dotando a la célula comensal de la capacidad de realizar asimismo fotosíntesis, y con el tiempo parte del ADN de la bacteria se transfirió a la célula eucariota. De esta sola célula, un único ancestro común, derivan las algas rojas, las verdes (incluyendo las plantas) y las glaucofitas.

Prueba de esta mala digestión queda una doble membrana que forma la estructura de las mitocondrias y los cloroplastos, resto de la membrana de la fagocitosis –la ingesta– y la membrana de la propia bacteria engullida. Sin embargo, pronto se dieron cuenta de que en algunas algas, en concreto en las que forman el fitoplancton así como en las algas pardas como los sargazos, los cloroplastos estaban rodeados por tres o incluso cuatro membranas. Y es que parece que han ocurrido posteriores procesos de endosimbiosis en la historia vital, propagándose los cloroplastos de unos eucariotas a otros. En estos procesos posteriores de endosimbiosis, una célula eucariota solo con mitocondrias –en concreto un protozoo– ingirió ya no una bacteria, sino un alga verde o un alga roja, y tras engullirlo y no digerirlo se convirtió en fotosintético. Y más allá, se han encontrado casos en los que otro protozoo consumió a su vez este nuevo protozoo fotosintético convirtiéndose asimismo en fotosintético. Así, en algunos casos aparecen varias membranas rodeando a los cloroplastos e incluso vestigios del núcleo del organismo engullido.

Este diagrama simplificado ilustra bastante bien el origen de la vida moderna, desde la aparición de LUCA, pasando por la integración de una bacteria fotosintética para acabar divergiendo en las plantas, hasta la mala digestión de un alga por un protista para dar lugar a las algas pardas. Crédito: Maulucioni y Doridí.  

Un caso de cleptomanía

Y para rizar el rizo de alimentos mal digeridos hay que hablar de ciertos dinoflagelados y algunos moluscos sacoglosos, eucariotas sin cloroplastos, como los seres humanos, sin la facultad de realizar la fotosíntesis. Estos organismos son capaces de alimentarse de algas, digerirlas a medias y quedarse con sus cloroplastos; en otras palabras, robar sus endosimbiontes. En el caso de los sacoglosos –el ejemplo más conocido es el de la babosa Elysia chlorotica–, en algún momento se debieron transferir ciertos genes de las algas que consumen a su propio ADN, porque son capaces de incorporar los cloroplastos y hacerlos funcionar. Así, al comienzo de su vida se alimentan de algas hasta que pueden funcionar sin comer, viviendo del aire. Que aprendan los ascetas.

Además de robar los cloroplastos, la babosa Elysia posee el aspecto de una hoja. Quizá más que cleptomanía se trata de un caso de crisis de identidad. Crédito: The Biological Bulletin.  

La familia no lo es todo

El origen de mitocondrias y cloroplastos se ha considerado único, singular y extraordinario debido a la similitud genética de los distintos orgánulos y al resultado evolutivo que tuvieron tales eventos. La unicidad del evento, sin embargo, siempre ha despertado dudas, y he ahí que diferentes teorías hayan sido propuestas en paralelo dentro de la comunidad científica, como la evolución autógena de las células eucariotas. Y es que es difícil imaginar que algo solo haya podido suceder una única vez

La respuesta a esta incógnita ha estado escondida en una especie de ameba prácticamente olvidada por más de cien años. Esta es Paulinella chromatophora, descubierta en 1894 por el científico alemán Rober Lauterborn y nombrada así por su querida tía Paulina, el cual observó que poseía un color verdeazulado debido a unos cuerpos alargados que podían ser cianobacterias en simbiosis a la manera de los líquenes. En 2005 se demostró que esos cuerpos alargados son cloroplastos, y que, a diferencia de todos los demás cloroplastos de todos los individuos de todas las especies conocidas, no derivan del mismo evento de endosimbiosis, sino que es mucho más reciente. De los 1.500 millones de años de la semilla de todo lo que es capaz de hacer fotosíntesis, Paulinella digirió mal una cianobacteria hará unos 60 a 200 millones de años. Por primera vez se había descubierto que el evento único y singular no lo fue tanto.

Ilustración de Paulinella realizada por su descubridor, Rober Lauterborn, en 1894. Las dos media lunas de su interior se corresponden con el único evento conocido de endosimbiosis no relacionada con aquella que hace unos 1.500 millones de años dio luz a todos los eucariotas fotosintéticos de la Tierra.

Pero lo fuera o no, hasta que Paulinella y otras tías de científicos por descubrir no engendren una prole como la que conforman los musgos y las palmeras, las plantas carnívoras y los sargazos, de momento ese evento que si no único fue vital ha desencadenado una historia evolutiva –ahora sí:– única por la que la proteína más abundante en la Tierra es la Rubisco, la principal encargada de la fotosíntesis. Y es que, no solo el cine y la Biblia quieren hablar de endosimbiosis, también la música, y como decía la canción: «amigos para siempre», y como decía la otra: «nainonainoná».

Nódulos simbióticos (planta-bacteria) en las raíces de una alfalfa. En ellos se produce la fijación del nitrógeno atmosférico, siendo capaz de suplir la alfalfa su requerimiento de nitrógeno. La bacteria gana cobijo y alimento. Crédito: Ninjatacoshell.    

Además de una función evolutiva, la simbiosis podría convertirse en una estrategia para luchar contra el hambre. Las leguminosas no necesitan nitrógeno como abono, uno de los nutrientes más limitantes para el crecimiento de las plantas y que hoy día se aporta a los suelos gracias a fertilizantes nitrogenados que suponen un gran gasto energético y económico. Y no lo necesitan debido a su capacidad para fijarlo del aire en unas estructuras de las raíces, llamadas nódulos, que se forman por una simbiosis entre la planta y bacterias de tipo rizobio. Los cereales, sin embargo, no son capaces de establecer estas relaciones simbióticas. Por ello, transferir esta capacidad permitiría el desarrollo de cereales fijadores de nitrógeno cuyo cultivo no requeriría de fertilizantes, lo que se ha convertido en una urgencia científica según la revista Science. Existen dos estrategias para conseguir esto: trasladar la capacidad de establecer simbiosis con rizobios o introducir la propia maquinaria de fijación de nitrógeno de estas bacterias en los cereales, proyecto en el que trabaja un investigador de la Universidad Politécnica de Madrid, el doctor Luis Rubio.

Texto: Gerardo Carrera Castaño

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