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sábado, 26 de octubre de 2019

Criptófitas: maravillosamente simples, extraordinariamente complejas

Las criptofitas presentan una cubierta rígida y dos flagelos que salen de una invaginación ventral. Foto al microscopio electrónico de barrido. Fuente.

Gracias a que la evolución las ha dotado de uno pigmentos especiales, estas algas unicelulares microscópicas absorben más luz que cualquier otro vegetal.
Gracias a algunos procesos evolutivos de fusión entre diferentes tipos celulares (endosimbiosis), algunas algas han desarrollado la capacidad de captar un espectro más amplio de energía lumínica para realizar una fotosíntesis más eficaz que la del resto de las plantas.
¿Alguna vez ha pensado en qué están hechas las plantas? Despoje de todo el esplendor y la gloria a las diferentes especies vegetales y mire de cerca cómo crecen y cómo producen más plantas. Es un mundo fascinante en el que todo tiene que ver con la fotosíntesis. Pasar de los fotones emitidos por nuestra estrella más cercana a una planta completamente desarrollada es todo un viaje y, al final de ese viaje, es posible que le sorprenda saber de qué están hechas las plantas.
Todo comienza con los fotones, las partículas mínimas de energía luminosa  que se producen, se transmiten y se absorben. Al salir del sol, viajan por el universo. Algunos chocan con la Tierra y llegan a su superficie. Las plantas colocan sus cuerpos para absorber estos fotones. La energía de los fotones se usa para dividir moléculas de agua dentro de los cloroplastos. En el proceso de dividir el agua, el oxígeno se libera como subproducto (¡gracias plantas!). La división del agua también libera electrones e iones de hidrógeno.
Estos electrones e iones de hidrógeno se utilizan para generar energía en forma de adenosin trifosfato (ATP). Junto con algunos electrones, el ATP se usa en otro ciclo conocido como el ciclo de Calvin, cuyo objetivo es tomar CO2 y utilizar la energía creada previamente para transformar las moléculas de carbono en cadenas de moléculas orgánicas. La mayor parte del carbono en una planta proviene de la absorción de CO2 (¡gracias plantas!). A través de una serie de pasos (les ahorraré los detalles) las plantas unen los átomos de carbono en largas cadenas. Algunas de estas cadenas forman glucosa y parte de esa glucosa se une para formar celulosa.
Los cloroplastos son los orgánulos celulares que en los organismos eucariotas fotosintetizadores se ocupan de la fotosíntesis. Están limitados por una envoltura formada por dos membranas concéntricas y contienen vesículas, los tilacoides, donde se encuentran organizados los pigmentos y demás moléculas que convierten la energía lumínica en energía química, como la clorofila. Fuente.
La celulosa es el principal componente estructural de las células vegetales. Tanto las algas unicelulares como los árboles más grandes están construidos con celulosa que, en el caso de las plantas leñosas se refuerza con lignina, un polímero orgánico más complejo, pero también formado por carbono, hidrógeno y oxígeno.
Pues ya ve, en esencia, toda la vida vegetal que le rodea está literalmente construida desde cero por el carbono que se origina del CO2. Bastante increíble, ¿no está de acuerdo? Y todo gracias a la fotosíntesis.
Después de más de tres mil millones de años actividad biológica en la Tierra recién formada, un pigmento llamado clorofila surgió hace unos 2.500 millones de años en algunos organismos unicelulares, lo que les permitió capturar energía en forma de luz para convertirla en azúcares. Este truco bioquímico, la fotosíntesis, transformó la biosfera. Más tarde, la fotosíntesis permitió que las plantas autótrofas dominasen tierras y mares, y constituyeran la base de todos los alimentos que nosotros, los heterótrofos (los organismos que no producimos nuestro propio sustento), consumimos para sobrevivir.
Pero, como diría Billy Wilder, “nadie es perfecto”. La clorofila tampoco.
Aunque la clorofila captura muy bien las longitudes de onda cortas (azul) y largas (rojo) del espectro lumínico visible, no absorbe las longitudes de onda medias de manera tan efectiva. Eso significa que deja sin explotar un gran potencial energético. En los extremos del espectro lumínico quedan sin aprovechar tanto la luz infrarroja, que no tiene suficiente energía para resultar fotosintéticamente útil, como la luz ultravioleta, que resulta dañina para todos los organismos, incluidas las plantas.
Un grupo poco conocido de algas microscópicas, las criptofitas (Cryptophyta), ha desarrollado pigmentos especiales, las ficobilinas, que, unidas a proteínas para formar ficobiliproteínas, son capaces de capturar las longitudes de onda a las que la clorofila no puede acceder, y eso ha hecho de ellas un grupo ecológicamente extraordinariamente competitivo que ha permitido que sean ubiquistas, es decir, que prosperen en medios muy diferentes, desde océanos hasta arroyos, estanques y lodazales.
En 1967, la revista Journal of Theoretical Biology publicó un artículo, On the Origin of Mitosing Cells, firmado por la bióloga Lynn Margulis (1938-2001) en el que esbozaba por primera vez la teoría de la endosimbiosis seriada. Margulis propuso la endosimbiosis como el mecanismo evolutivo gracias al cual se podrían originar nuevas especies: dos organismos que han evolucionado por separado se asocian en un determinado momento; si su asociación resulta beneficiosa en el medio en el que viven, acabarán siendo un único organismo
En pocas palabras, propuso que la primera célula eucariota de la Tierra, aquella célula de la que provenimos todos los animales y las plantas, se formó mediante la fusión de tres bacterias preexistentes completas. Gracias a su mayor capacidad competitiva, esa célula eucariota primigenia empezó a proliferar, y una de sus descendientes sufrió otra experiencia traumática: fagocitó a una bacteria fotosintética de la que provienen los actuales cloroplastos.
El origen de las ficobiliproteínas está estrechamente relacionado con los orígenes de las algas criptofitas, que son el resultado de una fusión entre dos organismos eucariotas: un alga roja que fue engullida por otro eucariota desconocido. Este tipo de fusión evolutiva entre dos eucariotas se llama endosimbiosis secundaria. La primera endosimbiosis ocurrió cuando un procariota (un organismo unicelular sin núcleo), engulló una bacteria, produciendo la primera célula eucariota hace unos 1.700 millones de años.
Las fusiones secundarias e incluso terciarias han ocurrido varias veces en la historia de la vida, creando nuevos tipos de vida cuando un organismo absorbe y contiene a otro. Estas fusiones son como experimentos en los que se mezclan y combinan proteínas y otras moléculas diferentes, que, de tener éxito, terminan en una especie de organismo híbrido que tiene capacidades que ninguno de los dos socios originales tenía.
Juntos, el alga roja y el eucariota desconocido que la envolvió proporcionaron las estructuras necesarias que podrían ensamblarse para formar ficobiliproteínas. Estas proteínas de captura lumínica están formadas por dos subunidades de proteínas, una de las cuales está codificada en el genoma nuclear del (por ahora) enigmático eucariota hospedante, mientras que la otra está codificada en el genoma de los cloroplastos del alga roja.
Célula de una criptofita: 1-vacuola contráctil, 2-cloroplasto, 3-tilacoide, 4-mancha ocular, 5-nucleomorfo, 6-gránulo de almidón. 7-ribosomas 70S, 8-núcleo, 9-ribosomas 80S, 10-flagelos, 11-invaginación, 12-glóbulo de lípidos, 13-eyectosoma, 14-mitocondria, 15-pirenoide, 16-aparato de Golgi, 17-retículo endoplasmático, 18-retículo endoplasmático cloroplástico. Fuente.
Y así, mediante una secuencia de un organismo que absorbe a otro y luego se transforma en algo completamente nuevo, se formaron estas algas únicas, las criptofitas, que jugaron con las proteínas que tenían a su disposición para aprovechar una nueva oportunidad, cuyo resultado fue la formación de nuevos pigmentos para absorber más luz para realizar la fotosíntesis.
Parte de la molécula de las ficobiliproteínas se deriva del material genético de otro pigmento, la ficoeritrina, presente en las algas rojas ancestrales. Pero la otra subunidad proteica que produce la ficobiliproteína, codificada por un gen del organismo hospedante, es de origen desconocido y no coincide con la secuencia de ningún gen conocido en otros organismos.
Se sabe que cada criptofita tiene solo un tipo de ficobiliproteína, que es exclusivo de cada especie de alga, lo que sugiere que el espectro de absorción de estos pigmentos puede cambiar según el entorno en el que crezcan las algas. Todavía no está claro cómo las criptofitas consiguen hacer esa hazaña fisiológica, pero algunos investigadores piensan que la ficobiliproteína cambia de forma para absorber diferentes longitudes de onda y eso permite a cada especie de criptófita colonizar un medio diferente.
Cuando las células eucariotas absorbieron por primera vez a las cianobacterias que se convirtieron en cloroplastos, el orgánulo celular que absorbe la luz, la fotosíntesis se convirtió en un poderoso impulsor de la vida en la Tierra. Pero puede que la evolución de la fotosíntesis aún no haya culminado, ya que las fusiones secundarias, como la que produjo a las criptofitas, han expandido aún más los pigmentos disponibles para capturar porciones no utilizadas del espectro lumínico.
Si las plantas pueden continuar aprovechando más y más energía lumínica, no podemos saber cómo podría afectar eso al futuro del planeta. ©
Manuel Peinado Lorca. @mpeinadolorca