Por Mauricio Quimbaya
“El hecho de que la vida hubiera evolucionado de casi nada, millones de años atrás, luego de que el universo surgiera de literalmente nada, es una cosa tan sorprendente, que estaría loco, si encontrara las razones para justificarlo de alguna forma”
Richard Dawkins
En ocasiones cuando estoy algo cansado, me gusta salir a dar un paseo por las montañas. Me gusta ir al campo y respirar ese aire fresco que desciende de los páramos y sentir la tibieza de un sol inmensamente anaranjado que se esconde detrás de unos riscos nevados. Me gusta mirar alrededor y observar por un momento al pasto agitándose por una suave brisa, me gusta observar las flores de mil y un colores y a las abejas y colibríes que revolotean sobre ellas. Me gusta levantar la vista y observar los verdes árboles abanicados por el viento, me gusta sentirme rodeado de pinos, eucaliptos, robles y guayacanes. También me gusta permanecer un momento en silencio, para escuchar el trino de los pájaros el ulular de las lechuzas y el caminar distante quizás de alguna danta. En resumidas me gusta sentirme rodeado de vida.
Es curioso que tal vez espontáneamente, cuando hablamos de vida, pensamos casi que exclusivamente en plantas, animales o insectos. Creo que a pocos se nos ocurre incluir a los microorganismos como a las algas o a las bacterias dentro del conjunto de seres que tienen vida, quizás porque definir desde un punto biológico lo que conocemos como “vida” no es un asunto para nada trivial. Pero hoy no quiero ahondar en qué es y qué no es vida, en parte porque este tema ya lo hemos tratado anteriormente en nuestro blog. Hoy quiero que pensemos en esos diminutos seres que aunque sin verlos, nos rodean por todas partes. Quiero que hoy pensemos en esas unidades biológicas que denominamos microorganismos, para darles el peso y la importancia que se merecen como organismos vivos y como estructuras que miles de millones de años atrás fueron los protagonistas indiscutibles en el origen de la vida sobre nuestro planeta.
Resultan tan fundamentales las bacterias y su particular proceso evolutivo, que su origen y presencia en la tierra, hace más de tres mil millones de años, transformaron continuamente la superficie terrestre y su atmósfera. Fueron estas bacterias primigenias, las primeras en usar y modificar algunos de los recién creados sistemas y reacciones químicas para transformarlos en unidades, que luego se volverían esenciales para la vida. Su evolución condujo al desarrollo de procesos como la fermentación, la respiración, la fijación del nitrógeno atmosférico y la fotosíntesis; procesos tan radicales que moldearon la estructura y apariencia física de una tierra primitiva, hasta convertirla en el planeta que conocemos hoy en día. En un planeta naciente, donde aún no existían las plantas y mucho menos los animales, fueron las primeras bacterias las encargadas de moldear y transformar esa esfera candente que era la tierra hace más de cuatro mil millones de años, en un planeta apto para la vida, es más, fueron éstas, las cuales con su presencia definieron la aparición de la vida en nuestro planeta, y fueron ellas y posteriormente otros microorganismos, los que modificaron y actualmente siguen modificando las condiciones de la vida en la tierra; están ahí, siempre presentes, bajo nuestros pies y sobre nuestras cabezas, en el fondo del mar, entre las placas tectónicas que constituyen los continentes, incluso habitan dentro de nosotros, hacen parte de nuestras células y su trabajo arduo y continuo hacen que nuestro hogar, la tierra, el único que conocemos, tenga las condiciones óptimas para albergar y sustentar la vida de todos esos otros seres en los cuales pensamos más comúnmente cuando reflexionamos sobre la palabra vida.
Una brevísima reseña acerca del origen de las bacterias…el origen de la vida
El oceanógrafo Jack Corliss fue el primero en percibir como en las zonas en que se unen las distintas plataformas continentales, en el fondo del océano; vapores, magma y gases que emanan de la corteza terrestre, continúan mezclándose con el agua de mar, rememorando los periodos de cambio continuo que existían en el Arqueense (3900 millones de años atrás) [1]. En las condiciones extremas que plantean estos ambientes (más de 3400 metros de profundidad, presiones extremas, oscuridad absoluta y temperaturas que crean un gradiente desde los 90⁰C hasta los 4⁰C) en las cuales era impensable encontrar algún vestigio de vida, se han encontrado distintas especies de bacterias filamentosas que utilizan como fuente de energía el azufre y otros gases ricos en hidrógeno que escapan del interior de la tierra en forma de manantiales submarinos. Estos remotos escenarios actuales, reproducen varias de las condiciones extremas de los nichos acuáticos que proliferaban en el Arqueense. Por lo tanto, si en la actualidad en dichas condiciones, es posible encontrar vida, representada en una gran variedad de bacterias, surge como una hipótesis plausible, que en un principio, la vida hubiera estado en la capacidad de surgir en tales condiciones, características de la tierra Prefanerozóica [2].
En las condiciones de calor, presión y humedad del Arqueense, los átomos de carbono, pudieron haberse combinado rápidamente con el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo y el azufre, para generar un gran número de estructuras químicas. Este conjunto de recién sintetizados compuestos químicos, que tenían en común su contenido de carbono, interaccionaron entre sí de distintas formas y a su vez, evolucionaron para producir cada vez más y más complejas substancias químicas [3]. Estos seis elementos, representan el 99% del peso seco de todo ser vivo constituyéndose como las principales unidades químicas que estructuran la vida.
Hasta ahora ha sido imposible, la generación de “vida” en condiciones experimentales de laboratorio, sin embargo Leslie Orgel, descubrió una molécula semejante al ADN con 50 nucleótidos (las unidades básicas que constituyen el ADN), que se formó espontáneamente, partiendo de ciertos compuestos a base de carbono. Igualmente, científicos del instituto Max Planck, han obtenido moléculas de ARN cortas con la capacidad de auto-replicarse en ausencia de células vivas [4]. Son los experimentos de este tipo, los que han fortalecido la hipótesis de que una combinación adecuada de descargas eléctricas representadas por rayos (muy frecuentes en aquella tierra primigenia) y de sustancias químicas presentes en los océanos del Arqueense, habría traído como consecuencia la fusión de átomos de carbono e hidrógeno con otros elementos como el nitrógeno, en las combinaciones adecuadas para producir los ladrillos básicos de la vida como lo son el ADN, el ARN y las proteínas [5].
El paso del tiempo, permitió que las moléculas necesarias para el origen de la vida, se agruparan y se regularan así mismas y entre sí. Las distintas moléculas, especialmente el ARN y posteriormente el ADN, se complementaban para generar estructuras que acababan replicándose. Estos procesos cíclicos, terminarían constituyendo los mecanismos básicos y fundamentales de las células vivas. Dichos procesos cíclicos permiten que la vida conserve los elementos constitutivos de sus orígenes, a pesar de las fluctuaciones ambientales continuamente cambiantes de un entorno hostil.
Pero para la concreción de la vida, aún hacía falta algo, era necesario separar y aislar, los procesos cíclicos anteriormente mencionados y los compuestos químicos básicos que hacen posibles dichas dinámicas autoregulatorias, del entorno circundante. La mayoría de científicos cree que distintos lípidos presentes en el océano prebiótico del Arqueense, se combinaron con ciertas proteínas para formar pequeños paquetes translucidos. Con el paso del tiempo y por azar, algunos de estos paquetes, engolfaron sistemas autoreplicativos que contenían ARN, ADN y proteínas y que habían logrado autoregularse para mantener un equilibrio constante. Ahora, estos sistemas se encontraban rodeados por una membrana que hacía posible la separación de sus elementos y procesos reguladores del resto del medio ambiente, evitando de esta manera, la posible pérdida de estructuras químicas fundamentales que pondrían a prueba las capacidades autoreguladoras de dicho micro sistema, capacidades que muy probablemente tomaron millones de años en alcanzarse [2].
¿Qué tenemos aquí? Tenemos una unidad discreta, separada y aislada de su entorno. Además tenemos una estructura, que está en la capacidad de replicar sus componentes fundamentales en una forma autosostenible y autoregulable. Tenemos un “aparato” que contiene ARN, ADN y proteínas, los cuales convergen en un círculo de reacciones que aseguran la interdependencia de uno del otro. Podríamos afirmar que este “aparato” representa la primera célula viva constituida, y debido a sus características que retoman los componentes y dinámicas básicas de una bacteria, podríamos afirmar que el primer ser vivo que existió sobre la faz de la tierra fue una bacteria. La vida en la tierra, empezó de la manera más simple posible, como un microorganismo.
Fueron los microorganismos quienes moldearon nuestro ambiente
Me atrevería a afirmar que la fotosíntesis fue la innovación metabólica más importante en la historia de la vida sobre el planeta tierra, y ésta, no se originó en las plantas, sino en las primeras bacterias fotosintéticas. En un principio esta fotosíntesis era diferente a la que desarrollan las plantas actuales. Los primeros organismos fotosintéticos eran bacterias que utilizaban el hidrógeno atmosférico o en ocasiones el sulfuro de hidrógeno para producir energía. Adicionalmente, las primeras reacciones fotosintéticas, nunca produjeron oxígeno [6].
Con el transcurrir de los millones de años, las bacterias fotosintéticas, en su búsqueda de fuentes de hidrógeno para producir energía, descubrieron una fuente abundante y plenamente disponible de dicho elemento: el agua. Los microorganismos que estuvieron en la capacidad de romper el agua por medio de la luz para abastecerse de hidrógeno, fueron tan exitosos y proliferaron de tal manera, que el residuo primario del rompimiento de la molécula de agua, es decir el oxígeno, empezó a saturar la atmósfera terrestre hasta tal punto en que los niveles de oxígeno atmosférico fueron tan elevados, que en un principio, nuestro vital oxígeno fue un gas tóxico que retó a la vida en la tierra. Gracias a dichos microorganismos fotosintéticos, la concentración de oxígeno atmosférico se elevó de un 0.0001% a un 61% [7].
En abundancia el oxígeno resulta ser tóxico porque reacciona con la materia orgánica. Atrapa electrones y genera radicales libres, los cuales son elementos sumamente reactivos que están en la capacidad de desdoblar y por lo tanto destruir compuestos a base de carbono, hidrógeno y nitrógeno, los cuales son los elementos fundamentales que estructuran la vida.
Las altas concentraciones de oxígeno en la atmósfera terrestre, retaron la inventiva de los microorganismos del Fanerozoico. Estudios científicos aseveran que la bioluminiscencia y la síntesis de vitamina E, procesos que requieren altas cantidades de oxígeno, son algunas de las novedades evolutivas que surgieron como respuesta a las altas concentraciones de oxígeno atmosférico [2].
Pero fueron un tipo particular de bacterias, aquellas que actualmente conocemos como cianobacterias, las que desarrollaron una de las novedades evolutivas que cambiarían para siempre la vida en la tierra. Estos microorganismos, desarrollaron un sistema metabólico que requería del entonces venenoso oxígeno para la producción de energía. La respiración aeróbica, cuya base es el oxígeno y de la cual dependen la mayoría de metazoos (animales multicelulares) que han existido en la tierra, utiliza al oxígeno en un proceso de combustión que rompe moléculas orgánicas para producir grandes cantidades de energía, agua y dióxido de carbono [6].
Las cianobacterias consiguieron llevar a término dos procesos fundamentales, la fotosíntesis que genera oxígeno y la respiración aeróbica que lo consume. Los animales no hubieran podido existir nunca sin los nutrientes producidos por la fotosíntesis y sin adecuados niveles de oxígeno en el aire. La generación de una unidad discreta, capaz de realizar una función particular y específica como la respiración, se cree, que fue un paso preliminar fundamental para la aparición de las células con núcleo, que son el componente fundamental de animales y plantas. La aparición de las bacterias aeróbicas fue tan crucial para modelar la atmósfera terrestre, que actualmente conocemos que su éxito evolutivo y dispersión permitió que los niveles de oxígeno terrestre, decrecieran aproximadamente un 40%, hasta los niveles que conocemos actualmente. En nuestro planeta contemporáneo el 21% de oxígeno que persiste en la atmósfera es suficiente para sustentar gran parte de la biósfera sin las terribles consecuencias oxidativas que acarrea su exceso. Equilibrio es la palabra clave y esto solo se logró gracias a las bacterias y a otros microorganismos específicos.
Millones de microorganismos habitan secretamente dentro de nuestras células
Las mitocondrias son los organelos de la célula eucariota que se encargan particularmente del proceso de respiración aeróbica, y aunque suene extraño, las mitocondrias presentan muchas características que nos hacen pensar en ellas como posibles organismos autónomos que tuvieron una vida libre, fuera de la actual célula eucariota. Las mitocondrias poseen su propio aparato genético que incluye su propio ADN y ARN. Como el típico ADN bacteriano, el ADN de las mitocondrias se encuentra libre, sin estar compactado en forma de cromosomas. De igual manera los ribosomas de las mitocondrias son más parecidos a los ribosomas de las bacterias que a los que se encuentran en las células eucariotas. Su división, es independiente del proceso de división celular y se ha comprobado que continuamente dentro de su evolución, han realizado procesos de transferencia de genes, desde su propio material genético, hasta el ADN que se encuentra en el núcleo de la célula [6]. Esto es una característica fundamental del sexo bacteriano.
Estas evidencias sugieren que las mitocondrias fueron ancestralmente bacterias libres, que terminaron internalizándose de manera simbiótica en las entrañas de células bacterianas mayores (endosimbiosis). Al principio, las bacterias invadidas, apenas debieron haber podido mantenerse con vida, pero cuando éstas morían, los huéspedes también perecían con ellas, de tal manera que solo sobrevivieron, las células hospederas que colaboraron con sus nuevos inquilinos diversificando funciones, ya que ahora sería la célula invasora, la encargada de la respiración celular. Las bacterias invadidas y las células invasoras (mitocondrias) desde entonces, hace ya más de 1000 millones de años atrás, conviven juntas en un mutualismo perfecto.
Todos los animales de la tierra, desde las abejas que revolotean sobre las flores, hasta las grandes ballenas que nadan en el mar, se encuentran constituidos por células con núcleo, estas células son el resultado directo de la fusión o endosimbiosis de células procariotas (células sin núcleo) [8]. Aproximadamente un adulto está constituido por 50 trillones de células, si tenemos en cuenta que en promedio una célula posee 1000 mitocondrias, podríamos concluir que un ser humano posee un número indecible de mitocondrias; quien lo iba a creer, nosotros los animales, no somos más que un conjunto de microorganismos que desde tiempos inmemoriales conspiraron para estructurar a un ser humano.
Pero éste, no es el único ejemplo de endosimbiosis para estructurar una célula eucariota. En el reino vegetal paso algo similar con los plastidios. Los plastidios, son los órganos encargados del proceso fotosintético en las plantas y si hablamos particularmente de los cloroplastos, éstos son más parecidos a las células bacterianas que las propias mitocondrias. La evolución de las plantas y con ellas, la evolución de toda la cadena trófica de la cual dependemos todos los animales, no hubieran sido posibles, si millones de años atrás, una bacteria fotosintética no hubiera sido engolfada por una célula hospedera para estructurar de esa manera el primer prototipo natural de una futura célula vegetal [9,10].
Y el equilibrio persiste en gran parte gracias a los microorganismos
Así como los descendientes de las bacterias que hace millones de años nadaban en un océano primigenio, se encuentran actualmente dentro de nuestras células en forma de mitocondrias, la eterna colaboración simbiótica entre microorganismos, células y organismo multicelulares aún persiste. Por ejemplo, particularmente las leguminosas no pueden sobrevivir en suelos carentes de nitrógeno, necesitan de las bacterias fijadoras de este elemento para poder prosperar. Si continuamos la cadena trófica llegaremos a la conclusión que nosotros tampoco podemos sobrevivir sin el nitrógeno que procede de dichas plantas. De igual manera, los rumiantes como las vacas, no están en la capacidad de digerir la celulosa que está contenida en el pasto y necesitan de la acción de las bacterias ruminales. Nosotros dependemos en gran parte de la carne, la leche y sus derivados que provienen del ganado y a su vez, éste depende de las comunidades bacterianas que habitan en su interior. Aproximadamente, un 10% del peso seco de nuestro organismo corresponde a bacterias, algunas vitales para nuestra sobrevivencia, nos defienden de infecciones y nos ayudan a digerir ciertos alimentos.
Ningún ser humano y tal vez ningún animal o planta, hubiera podido sobrevivir en una atmósfera saturada de oxígeno, no hubiéramos sobrevivido a los efectos deletéreos de la constante oxidación, es más, con un 60% de oxígeno en la atmósfera, todo ardería con tan solo tronar los dedos. Las corrientes marinas, el delicado equilibrio de los océanos y la producción de nutrientes, dependen casi que exclusivamente de las comunidades de microorganismos que constituyen el fitoplancton y el zooplancton. Los ciclos de elementos como el carbono o el nitrógeno, fundamentales para la vida, se sustentan en diversas comunidades bacterianas [11]. Entonces, ¿por qué algunos de nosotros aún creemos que somos los seres humanos los que tenemos el pleno control de todo en cuanto nos rodea?
La evolución de la célula eucariota, la diversificación de funciones y el perfeccionamiento de los sistemas multicelulares trajo consigo una clara y desastrosa consecuencia: la fragilidad. Los animales basamos nuestra supervivencia en la dependencia de otros organismos, no estamos en la capacidad de producir nuestro propio alimento, somos totalmente dependientes del proceso fotosintético de las plantas. De igual manera, las plantas dependen de la luz solar y es bueno aclarar, que la intensidad lumínica que nos proporciona el sol siempre ha variado a lo largo de la evolución. El smog cubre nuestras ciudades, es posible que si continuamos así, la contaminación y las nubes de smog sean tan densas que podrían reducir la capacidad fotosintética de las plantas. Es más, una erupción volcánica de proporciones cataclísmicas sería suficiente para ocultar el sol, y entonces, la mayoría de seres multicelulares desapareceríamos en cuestión de años, quizás meses. Somos seres frágiles.
Las bacterias por el contrario presentan un rango mucho más extenso de adaptabilidad, se permiten efectuar complejas fermentaciones, pueden consumir metano, nitrógeno o azufre para sobrevivir. Pueden precipitar hierro o manganeso para respirar; queman hidrógeno utilizando oxígeno para producir agua. Pueden crecer en agua en ebullición, pueden vivir en absoluta oscuridad o en sal muera, están en la capacidad de soportar increíbles presiones y bajísimas temperaturas; hacen fotosíntesis y genéticamente son mucho más plásticas gracias a la transferencia horizontal de genes que es un proceso casi que rutinario en este grupo de organismos [11, 12].
Puede que no las veamos, puede que pocas veces cuando pensamos en algún ser vivo se nos venga una cianobacteria a la cabeza. Pero nuestra evolución como especie, se encuentra íntimamente ligada a estos diminutos seres. Sin ellos, la vida como actualmente la conocemos no hubiera sido posible, y ahora, en este preciso momento, sin que nos demos cuenta, los microorganismos están ayudando a mantener el balance de nuestro planeta, para que nosotros y tal vez nuestros nietos podamos disfrutar de esas salidas al campo, en las cuales nos encontramos rodeados de vida, por lo menos de la clase de vida que estamos acostumbrados a ver y a valorar.
Es curioso que tal vez espontáneamente, cuando hablamos de vida, pensamos casi que exclusivamente en plantas, animales o insectos. Creo que a pocos se nos ocurre incluir a los microorganismos como a las algas o a las bacterias dentro del conjunto de seres que tienen vida, quizás porque definir desde un punto biológico lo que conocemos como “vida” no es un asunto para nada trivial. Pero hoy no quiero ahondar en qué es y qué no es vida, en parte porque este tema ya lo hemos tratado anteriormente en nuestro blog. Hoy quiero que pensemos en esos diminutos seres que aunque sin verlos, nos rodean por todas partes. Quiero que hoy pensemos en esas unidades biológicas que denominamos microorganismos, para darles el peso y la importancia que se merecen como organismos vivos y como estructuras que miles de millones de años atrás fueron los protagonistas indiscutibles en el origen de la vida sobre nuestro planeta.
Resultan tan fundamentales las bacterias y su particular proceso evolutivo, que su origen y presencia en la tierra, hace más de tres mil millones de años, transformaron continuamente la superficie terrestre y su atmósfera. Fueron estas bacterias primigenias, las primeras en usar y modificar algunos de los recién creados sistemas y reacciones químicas para transformarlos en unidades, que luego se volverían esenciales para la vida. Su evolución condujo al desarrollo de procesos como la fermentación, la respiración, la fijación del nitrógeno atmosférico y la fotosíntesis; procesos tan radicales que moldearon la estructura y apariencia física de una tierra primitiva, hasta convertirla en el planeta que conocemos hoy en día. En un planeta naciente, donde aún no existían las plantas y mucho menos los animales, fueron las primeras bacterias las encargadas de moldear y transformar esa esfera candente que era la tierra hace más de cuatro mil millones de años, en un planeta apto para la vida, es más, fueron éstas, las cuales con su presencia definieron la aparición de la vida en nuestro planeta, y fueron ellas y posteriormente otros microorganismos, los que modificaron y actualmente siguen modificando las condiciones de la vida en la tierra; están ahí, siempre presentes, bajo nuestros pies y sobre nuestras cabezas, en el fondo del mar, entre las placas tectónicas que constituyen los continentes, incluso habitan dentro de nosotros, hacen parte de nuestras células y su trabajo arduo y continuo hacen que nuestro hogar, la tierra, el único que conocemos, tenga las condiciones óptimas para albergar y sustentar la vida de todos esos otros seres en los cuales pensamos más comúnmente cuando reflexionamos sobre la palabra vida.
Una brevísima reseña acerca del origen de las bacterias…el origen de la vida
El oceanógrafo Jack Corliss fue el primero en percibir como en las zonas en que se unen las distintas plataformas continentales, en el fondo del océano; vapores, magma y gases que emanan de la corteza terrestre, continúan mezclándose con el agua de mar, rememorando los periodos de cambio continuo que existían en el Arqueense (3900 millones de años atrás) [1]. En las condiciones extremas que plantean estos ambientes (más de 3400 metros de profundidad, presiones extremas, oscuridad absoluta y temperaturas que crean un gradiente desde los 90⁰C hasta los 4⁰C) en las cuales era impensable encontrar algún vestigio de vida, se han encontrado distintas especies de bacterias filamentosas que utilizan como fuente de energía el azufre y otros gases ricos en hidrógeno que escapan del interior de la tierra en forma de manantiales submarinos. Estos remotos escenarios actuales, reproducen varias de las condiciones extremas de los nichos acuáticos que proliferaban en el Arqueense. Por lo tanto, si en la actualidad en dichas condiciones, es posible encontrar vida, representada en una gran variedad de bacterias, surge como una hipótesis plausible, que en un principio, la vida hubiera estado en la capacidad de surgir en tales condiciones, características de la tierra Prefanerozóica [2].
En las condiciones de calor, presión y humedad del Arqueense, los átomos de carbono, pudieron haberse combinado rápidamente con el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo y el azufre, para generar un gran número de estructuras químicas. Este conjunto de recién sintetizados compuestos químicos, que tenían en común su contenido de carbono, interaccionaron entre sí de distintas formas y a su vez, evolucionaron para producir cada vez más y más complejas substancias químicas [3]. Estos seis elementos, representan el 99% del peso seco de todo ser vivo constituyéndose como las principales unidades químicas que estructuran la vida.
Hasta ahora ha sido imposible, la generación de “vida” en condiciones experimentales de laboratorio, sin embargo Leslie Orgel, descubrió una molécula semejante al ADN con 50 nucleótidos (las unidades básicas que constituyen el ADN), que se formó espontáneamente, partiendo de ciertos compuestos a base de carbono. Igualmente, científicos del instituto Max Planck, han obtenido moléculas de ARN cortas con la capacidad de auto-replicarse en ausencia de células vivas [4]. Son los experimentos de este tipo, los que han fortalecido la hipótesis de que una combinación adecuada de descargas eléctricas representadas por rayos (muy frecuentes en aquella tierra primigenia) y de sustancias químicas presentes en los océanos del Arqueense, habría traído como consecuencia la fusión de átomos de carbono e hidrógeno con otros elementos como el nitrógeno, en las combinaciones adecuadas para producir los ladrillos básicos de la vida como lo son el ADN, el ARN y las proteínas [5].
El paso del tiempo, permitió que las moléculas necesarias para el origen de la vida, se agruparan y se regularan así mismas y entre sí. Las distintas moléculas, especialmente el ARN y posteriormente el ADN, se complementaban para generar estructuras que acababan replicándose. Estos procesos cíclicos, terminarían constituyendo los mecanismos básicos y fundamentales de las células vivas. Dichos procesos cíclicos permiten que la vida conserve los elementos constitutivos de sus orígenes, a pesar de las fluctuaciones ambientales continuamente cambiantes de un entorno hostil.
Pero para la concreción de la vida, aún hacía falta algo, era necesario separar y aislar, los procesos cíclicos anteriormente mencionados y los compuestos químicos básicos que hacen posibles dichas dinámicas autoregulatorias, del entorno circundante. La mayoría de científicos cree que distintos lípidos presentes en el océano prebiótico del Arqueense, se combinaron con ciertas proteínas para formar pequeños paquetes translucidos. Con el paso del tiempo y por azar, algunos de estos paquetes, engolfaron sistemas autoreplicativos que contenían ARN, ADN y proteínas y que habían logrado autoregularse para mantener un equilibrio constante. Ahora, estos sistemas se encontraban rodeados por una membrana que hacía posible la separación de sus elementos y procesos reguladores del resto del medio ambiente, evitando de esta manera, la posible pérdida de estructuras químicas fundamentales que pondrían a prueba las capacidades autoreguladoras de dicho micro sistema, capacidades que muy probablemente tomaron millones de años en alcanzarse [2].
¿Qué tenemos aquí? Tenemos una unidad discreta, separada y aislada de su entorno. Además tenemos una estructura, que está en la capacidad de replicar sus componentes fundamentales en una forma autosostenible y autoregulable. Tenemos un “aparato” que contiene ARN, ADN y proteínas, los cuales convergen en un círculo de reacciones que aseguran la interdependencia de uno del otro. Podríamos afirmar que este “aparato” representa la primera célula viva constituida, y debido a sus características que retoman los componentes y dinámicas básicas de una bacteria, podríamos afirmar que el primer ser vivo que existió sobre la faz de la tierra fue una bacteria. La vida en la tierra, empezó de la manera más simple posible, como un microorganismo.
Fueron los microorganismos quienes moldearon nuestro ambiente
Me atrevería a afirmar que la fotosíntesis fue la innovación metabólica más importante en la historia de la vida sobre el planeta tierra, y ésta, no se originó en las plantas, sino en las primeras bacterias fotosintéticas. En un principio esta fotosíntesis era diferente a la que desarrollan las plantas actuales. Los primeros organismos fotosintéticos eran bacterias que utilizaban el hidrógeno atmosférico o en ocasiones el sulfuro de hidrógeno para producir energía. Adicionalmente, las primeras reacciones fotosintéticas, nunca produjeron oxígeno [6].
Con el transcurrir de los millones de años, las bacterias fotosintéticas, en su búsqueda de fuentes de hidrógeno para producir energía, descubrieron una fuente abundante y plenamente disponible de dicho elemento: el agua. Los microorganismos que estuvieron en la capacidad de romper el agua por medio de la luz para abastecerse de hidrógeno, fueron tan exitosos y proliferaron de tal manera, que el residuo primario del rompimiento de la molécula de agua, es decir el oxígeno, empezó a saturar la atmósfera terrestre hasta tal punto en que los niveles de oxígeno atmosférico fueron tan elevados, que en un principio, nuestro vital oxígeno fue un gas tóxico que retó a la vida en la tierra. Gracias a dichos microorganismos fotosintéticos, la concentración de oxígeno atmosférico se elevó de un 0.0001% a un 61% [7].
En abundancia el oxígeno resulta ser tóxico porque reacciona con la materia orgánica. Atrapa electrones y genera radicales libres, los cuales son elementos sumamente reactivos que están en la capacidad de desdoblar y por lo tanto destruir compuestos a base de carbono, hidrógeno y nitrógeno, los cuales son los elementos fundamentales que estructuran la vida.
Las altas concentraciones de oxígeno en la atmósfera terrestre, retaron la inventiva de los microorganismos del Fanerozoico. Estudios científicos aseveran que la bioluminiscencia y la síntesis de vitamina E, procesos que requieren altas cantidades de oxígeno, son algunas de las novedades evolutivas que surgieron como respuesta a las altas concentraciones de oxígeno atmosférico [2].
Pero fueron un tipo particular de bacterias, aquellas que actualmente conocemos como cianobacterias, las que desarrollaron una de las novedades evolutivas que cambiarían para siempre la vida en la tierra. Estos microorganismos, desarrollaron un sistema metabólico que requería del entonces venenoso oxígeno para la producción de energía. La respiración aeróbica, cuya base es el oxígeno y de la cual dependen la mayoría de metazoos (animales multicelulares) que han existido en la tierra, utiliza al oxígeno en un proceso de combustión que rompe moléculas orgánicas para producir grandes cantidades de energía, agua y dióxido de carbono [6].
Las cianobacterias consiguieron llevar a término dos procesos fundamentales, la fotosíntesis que genera oxígeno y la respiración aeróbica que lo consume. Los animales no hubieran podido existir nunca sin los nutrientes producidos por la fotosíntesis y sin adecuados niveles de oxígeno en el aire. La generación de una unidad discreta, capaz de realizar una función particular y específica como la respiración, se cree, que fue un paso preliminar fundamental para la aparición de las células con núcleo, que son el componente fundamental de animales y plantas. La aparición de las bacterias aeróbicas fue tan crucial para modelar la atmósfera terrestre, que actualmente conocemos que su éxito evolutivo y dispersión permitió que los niveles de oxígeno terrestre, decrecieran aproximadamente un 40%, hasta los niveles que conocemos actualmente. En nuestro planeta contemporáneo el 21% de oxígeno que persiste en la atmósfera es suficiente para sustentar gran parte de la biósfera sin las terribles consecuencias oxidativas que acarrea su exceso. Equilibrio es la palabra clave y esto solo se logró gracias a las bacterias y a otros microorganismos específicos.
Millones de microorganismos habitan secretamente dentro de nuestras células
Las mitocondrias son los organelos de la célula eucariota que se encargan particularmente del proceso de respiración aeróbica, y aunque suene extraño, las mitocondrias presentan muchas características que nos hacen pensar en ellas como posibles organismos autónomos que tuvieron una vida libre, fuera de la actual célula eucariota. Las mitocondrias poseen su propio aparato genético que incluye su propio ADN y ARN. Como el típico ADN bacteriano, el ADN de las mitocondrias se encuentra libre, sin estar compactado en forma de cromosomas. De igual manera los ribosomas de las mitocondrias son más parecidos a los ribosomas de las bacterias que a los que se encuentran en las células eucariotas. Su división, es independiente del proceso de división celular y se ha comprobado que continuamente dentro de su evolución, han realizado procesos de transferencia de genes, desde su propio material genético, hasta el ADN que se encuentra en el núcleo de la célula [6]. Esto es una característica fundamental del sexo bacteriano.
Estas evidencias sugieren que las mitocondrias fueron ancestralmente bacterias libres, que terminaron internalizándose de manera simbiótica en las entrañas de células bacterianas mayores (endosimbiosis). Al principio, las bacterias invadidas, apenas debieron haber podido mantenerse con vida, pero cuando éstas morían, los huéspedes también perecían con ellas, de tal manera que solo sobrevivieron, las células hospederas que colaboraron con sus nuevos inquilinos diversificando funciones, ya que ahora sería la célula invasora, la encargada de la respiración celular. Las bacterias invadidas y las células invasoras (mitocondrias) desde entonces, hace ya más de 1000 millones de años atrás, conviven juntas en un mutualismo perfecto.
Todos los animales de la tierra, desde las abejas que revolotean sobre las flores, hasta las grandes ballenas que nadan en el mar, se encuentran constituidos por células con núcleo, estas células son el resultado directo de la fusión o endosimbiosis de células procariotas (células sin núcleo) [8]. Aproximadamente un adulto está constituido por 50 trillones de células, si tenemos en cuenta que en promedio una célula posee 1000 mitocondrias, podríamos concluir que un ser humano posee un número indecible de mitocondrias; quien lo iba a creer, nosotros los animales, no somos más que un conjunto de microorganismos que desde tiempos inmemoriales conspiraron para estructurar a un ser humano.
Pero éste, no es el único ejemplo de endosimbiosis para estructurar una célula eucariota. En el reino vegetal paso algo similar con los plastidios. Los plastidios, son los órganos encargados del proceso fotosintético en las plantas y si hablamos particularmente de los cloroplastos, éstos son más parecidos a las células bacterianas que las propias mitocondrias. La evolución de las plantas y con ellas, la evolución de toda la cadena trófica de la cual dependemos todos los animales, no hubieran sido posibles, si millones de años atrás, una bacteria fotosintética no hubiera sido engolfada por una célula hospedera para estructurar de esa manera el primer prototipo natural de una futura célula vegetal [9,10].
Y el equilibrio persiste en gran parte gracias a los microorganismos
Así como los descendientes de las bacterias que hace millones de años nadaban en un océano primigenio, se encuentran actualmente dentro de nuestras células en forma de mitocondrias, la eterna colaboración simbiótica entre microorganismos, células y organismo multicelulares aún persiste. Por ejemplo, particularmente las leguminosas no pueden sobrevivir en suelos carentes de nitrógeno, necesitan de las bacterias fijadoras de este elemento para poder prosperar. Si continuamos la cadena trófica llegaremos a la conclusión que nosotros tampoco podemos sobrevivir sin el nitrógeno que procede de dichas plantas. De igual manera, los rumiantes como las vacas, no están en la capacidad de digerir la celulosa que está contenida en el pasto y necesitan de la acción de las bacterias ruminales. Nosotros dependemos en gran parte de la carne, la leche y sus derivados que provienen del ganado y a su vez, éste depende de las comunidades bacterianas que habitan en su interior. Aproximadamente, un 10% del peso seco de nuestro organismo corresponde a bacterias, algunas vitales para nuestra sobrevivencia, nos defienden de infecciones y nos ayudan a digerir ciertos alimentos.
Ningún ser humano y tal vez ningún animal o planta, hubiera podido sobrevivir en una atmósfera saturada de oxígeno, no hubiéramos sobrevivido a los efectos deletéreos de la constante oxidación, es más, con un 60% de oxígeno en la atmósfera, todo ardería con tan solo tronar los dedos. Las corrientes marinas, el delicado equilibrio de los océanos y la producción de nutrientes, dependen casi que exclusivamente de las comunidades de microorganismos que constituyen el fitoplancton y el zooplancton. Los ciclos de elementos como el carbono o el nitrógeno, fundamentales para la vida, se sustentan en diversas comunidades bacterianas [11]. Entonces, ¿por qué algunos de nosotros aún creemos que somos los seres humanos los que tenemos el pleno control de todo en cuanto nos rodea?
La evolución de la célula eucariota, la diversificación de funciones y el perfeccionamiento de los sistemas multicelulares trajo consigo una clara y desastrosa consecuencia: la fragilidad. Los animales basamos nuestra supervivencia en la dependencia de otros organismos, no estamos en la capacidad de producir nuestro propio alimento, somos totalmente dependientes del proceso fotosintético de las plantas. De igual manera, las plantas dependen de la luz solar y es bueno aclarar, que la intensidad lumínica que nos proporciona el sol siempre ha variado a lo largo de la evolución. El smog cubre nuestras ciudades, es posible que si continuamos así, la contaminación y las nubes de smog sean tan densas que podrían reducir la capacidad fotosintética de las plantas. Es más, una erupción volcánica de proporciones cataclísmicas sería suficiente para ocultar el sol, y entonces, la mayoría de seres multicelulares desapareceríamos en cuestión de años, quizás meses. Somos seres frágiles.
Las bacterias por el contrario presentan un rango mucho más extenso de adaptabilidad, se permiten efectuar complejas fermentaciones, pueden consumir metano, nitrógeno o azufre para sobrevivir. Pueden precipitar hierro o manganeso para respirar; queman hidrógeno utilizando oxígeno para producir agua. Pueden crecer en agua en ebullición, pueden vivir en absoluta oscuridad o en sal muera, están en la capacidad de soportar increíbles presiones y bajísimas temperaturas; hacen fotosíntesis y genéticamente son mucho más plásticas gracias a la transferencia horizontal de genes que es un proceso casi que rutinario en este grupo de organismos [11, 12].
Puede que no las veamos, puede que pocas veces cuando pensamos en algún ser vivo se nos venga una cianobacteria a la cabeza. Pero nuestra evolución como especie, se encuentra íntimamente ligada a estos diminutos seres. Sin ellos, la vida como actualmente la conocemos no hubiera sido posible, y ahora, en este preciso momento, sin que nos demos cuenta, los microorganismos están ayudando a mantener el balance de nuestro planeta, para que nosotros y tal vez nuestros nietos podamos disfrutar de esas salidas al campo, en las cuales nos encontramos rodeados de vida, por lo menos de la clase de vida que estamos acostumbrados a ver y a valorar.
Referencias
[1] Ferris, J.P. 1992. Chemical markers of prebiotic chemistry in hydrothermal systems. Orig Life Evol Biosph 22, 109-34.
[2] Margulis, L.a.S., D. 1995. Microcosmos. Four Billion Years of Evolution from Our Microbial Ancestors, 312 pag. Tusquets Editores S.A., Barcelona.
[3] Holm, N.G. & Andersson, E.M. 1995. Abiotic synthesis of organic compounds under the conditions of submarine hydrothermal systems: a perspective. Planet Space Sci 43, 153-9.
[4] Davis, B.K. 1998. The forces driving molecular evolution. Prog Biophys Mol Biol 69, 83-150.
[5] Davis, B.K. 2002. Molecular evolution before the origin of species. Prog Biophys Mol Biol 79, 77-133.
[6] Gray, M.W. 1989. The evolutionary origins of organelles. Trends Genet 5, 294-9.
[7] Cavalier-Smith, T. 1992. The number of symbiotic origins of organelles. Biosystems 28, 91-106.
[8] Cavalier-Smith, T. 1975. The origin of nuclei and of eukaryotic cells. Nature 256, 463-8.
[9] Meyer, T.E. 1991. Evolution of cytochromes and photosynthesis. Biochim Biophys Acta 23, 31-4.
[10] Wolfe, K.H., Morden, C.W. & Palmer, J.D. 1991. Ins and outs of plastid genome evolution. Curr Opin Genet Dev 1, 523-9.
[11] Starr, M.P. & Skerman, V.B. 1965. Bacterial diversity: the natural history of selected morphologically unusual bacteria. Annu Rev Microbiol 19, 407-54.
[12] Degryse, E. 1976. Bacterial diversity at high temperature. Experientia Suppl 26, 401-10.
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