El Cedazo

A lo largo de esta serie sobre la Biografía de la Vida hemos estado viendo cómo se iba conformando la Tierra y cómo sobre ella se modelaba una nueva química que dio oportunidad a la emergencia de algo tan asombroso como la Vida. Habíamos llegado en las dos últimas entradas^[1] a entender las estrategias metabólicas de los organismos elementales de aquel momento: las bacterias. Ésta fue la gran aventura del metabolismo que conquistó el periodo Arcaico. Hoy dejamos los aspectos que pueden parecer más teóricos para continuar con la cronología de los hechos tal como pudieron ocurrir a lo largo del eón Arcaico que llegará a su fin con esta entrada. Seguimos en las profundidades de la edad del planeta, de 3.800 a 2.500 millones de año antes de hoy.

Mientras, la vida seguía su curso

La Vida estuvo presente durante todo el eón Arcaico, desde su inicio, pero es probable que estuviera limitada a bacterias y archaeas, organismos procariotas (células sin núcleo) con doble membrana celular.  Intentemos hacer ahora su historia cronológica.

Por lo que hemos aprendido en las entradas anteriores ya podemos imaginamos a los primeros organismos vivos, a los que aún no me atrevo a definir como bacterias, viviendo en las porosidades de estructuras submarinas, de la materia que surgía gracias a la energía redox de las paredes de pirita y de la especial química del entorno, la cual había sintetizado, entre otras, moléculas orgánicas que permanecían disueltas en las aguas de las surgencias termales. Las aprovechaban para su desarrollo unos organismos que vivían de la caridad de la química practicando una obligada e incipiente heterotrofía y usando un sencillo metabolismo, posiblemente próximo a una fermentación.

Lograron escapar de la cárcel de piedra. Las más ancestrales y elementales bacterias que habían salido de los venteos submarinos empezaron a colonizar los mares protegidas por sus membranas. Allí habían estado cuidadas por el entorno abrigado de los poros de las rocas, alejadas de los muy temibles rayos ultravioletas, y ahora, libres, debían obtener sus necesidades en un mundo sin oxígeno a partir de las moléculas de tipo orgánico que se habían ido formado a lo largo de millones de años de evolución química.

Con posterioridad, y a medida que disminuía la cantidad de compuestos orgánicos disponibles, gracias a alguna mutación aprendieron a ser autónomas. Su mundo era el submarino según unas teorías, o próximo a la superficie del océano, viviendo en el caldo primordial, según otras, en un momento en que la atmósfera era densa, lo que dificultaba el paso de la luz solar y su energía asociada. Debieron conseguir sus garbanzos a partir de reacciones químicas exotérmicas y fijando el carbono a través del CO₂ disuelto en las aguas. Las pioneras debieron ser por tanto protobacterias autótrofas quimiosintéticas y anoxigénicas, que obtendrían la energía vital a partir de variados procesos químicos catabólicos en los que participaban iones metálicos o derivados del azufre, y que aún no generaban oxígeno como subproducto ¿Algo así debió ser nuestro LUCA?

El anabolismo quimioautotrófico ha quedado hoy en día limitado a los más antiguos organismos, lo que refuerza la opinión de un inicio de la Vida con este tipo de seres con metabolismo autotrófico. Al lado de esta solución metabólica se observa el gran recorrido posterior de la naturaleza hacia una extensa variedad de soluciones que han dejado arrinconado al ancestral quimioautotrofismo. Aunque no siempre, la evolución avanza normalmente añadiendo, más que quitando.

El incremento de la vida haría que los fondos marinos se fueran llenando de materia orgánica procedente de los infinitos organismos de bacterias muertas. Los ladrillos fundamentales estaban allí, precocinados, como quien dice, sin necesidad de acudir directamente al CO₂ y H₂O para fabricarlos. La oportunidad era muy grande y el salto en eficiencia también. Así que no es de extrañar que algunas bacterias aprovecharan esta nutricional “basura”: se había rediseñado el heterotrofismo, ahora ya perfecto. No obstante, las formas de obtener la energía debían ser las ya conocidas, a partir de la de los enlaces químicos mediante un proceso de fermentación en aquel mundo sin oxígeno.

Al irse aclarando la atmósfera e ir disponiendo progresivamente de más energía lumínica, algunos autótrofos se especializaron en utilizarla como fuente de energía con un mayor rendimiento, aunque sin apoyarse aún en el oxígeno. Bacterias similares a las púrpura y verdes del azufre, con sus dobles membranas fosfolipídicas rodeando a una tercera interior de tipo proteínico, habían descubierto la fotosíntesis anoxigénica mediante la incorporación en su ciclo metabólico de una nueva molécula inteligente, la porfirina. Esta molécula tiene una estructura fundamental en forma de un anillo complejo de carbonos y nitrógenos, a la que inicialmente se le adosó en su posición central un átomo de magnesio. Posiblemente todo ello sucedió hace más de 3.500 millones de años. Podemos afirmarlo gracias al análisis de unos tapetes microbianos fósiles encontrados en el cinturón Barberton Greenstone sudafricano, datados en más de 3.300 millones de años, habiéndose llegado a la conclusión de que la fotosíntesis ya existía al menos en aquella época.

Después de este período de evolución anaeróbica en un mundo marino protegido de los rayos ultravioletas, se produjo lo que el zoólogo anglo-canadiense Tom Cavalier-Smith considera la primera gran revolución de las bacterias. La fotosíntesis evolucionó en el antepasado común de todas ellas hacia su forma oxigénica al colaborar con el agua para obtener energía, abriendo así el camino para olvidar los ineficientes metabolismos anaeróbicos y dando paso a la supereficiente respiración aeróbica. Desde el punto de vista de la Evolución con mayúsculas, la novedad presentaba demasiadas ventajas como para despreciarla. En el camino dejaban un subproducto que revolucionó el mundo, el oxígeno. Aunque sigue siendo objeto de muchos debates, los datos geológicos indican que este fundamental evento tuvo lugar en un momento temprano de la historia de la Tierra, hace al menos 2.450-2.320 millones de años. O posiblemente mucho antes, como lo afirma una publicación aparecida en 2015^[2] en la que se justifica un adelanto de la frontera inferior de este evento hasta hace unos 3.200 millones de años. Poco a poco los organismos heterótrofos se introducían en el mundo aeróbico, la era de las cianobacterias, un mundo lleno de amenazas, ya que el oxígeno era un veneno para las bacterias –es un elemento con gran reactividad que las oxidaba, robándoles valiosísimos electrones energéticos-, pero a la vez un mundo lleno de posibilidades, más eficiente y a la larga más energético, lo que permitió una vida más activa, un mejor posicionamiento frente a las oportunidades y amenazas del medio ambiente, unas reacciones vitales más rápidas, lo que a fin de cuentas permitió unas posibilidades de evolución hacia estructuras más complejas e “inteligentes”. Casi a la vez se hacía más complicada la química en la membrana exterior de las bacterias. Desaparecía la capa lipídica más exterior, mientras que la intermedia, que ahora quedaba en primera fila, se engrosaba al formar una intrincada red de un polímero llamado mureína, con lo que conseguían una gran resistencia estructural frente a las diferencias de concentraciones de proteínas entre el interior de la célula y el medio exterior. A este nuevo tipo de bacterias se le conoce como neomuras, que literalmente significa “pared nueva”.

La gran controversia actual es si las neomuras como ancestros de las archaeas son muy antiguas, ancladas casi en los orígenes de la vida (como hemos afirmado en capítulos anteriores), o bien son más “modernas”. La filogenia más actual parece que apuesta por esta segunda vía, que surge también de las teorías de Cavalier-Smith,^[3] el cual opina que hace unos 900 millones de años las bacterias experimentaron su segunda gran revolución. El camino de las neomuras se ramificó en dos, el que llevaría a las archaeas y el propio de las eucariotas. Mientras las archaeas se adaptaron a ambientes calientes y ácidos, cambiando la proteína de su gruesa capa exterior, las eucariotas también adoptaron algunos cambios. Pero ésta es otra historia que contaremos con posterioridad. Y que deberá encajar con la antigüedad de más o menos 2.000 millones de años de lo que parecen ser los fósiles más antiguos de eucariotas. Lo veremos en una entrada posterior.

Sabemos que la crisis del oxígeno^[4]  tuvo su apogeo hace unos 2.400 millones de años, finalizando ya el eón Arcaico, con lo que culminaba el episodio de la gran oxidación. A partir de ahí el oxígeno de las cianobacterias quedó disponible para ser acumulado libremente en la biosfera. El porcentaje atmosférico de oxígeno, que hasta entonces se había contenido, comenzó su escalada. La Vida tuvo que reaccionar a esta amenaza, y realmente lo hizo con habilidad. Tuvo una ayuda colateral, ya que en las altas capas de la atmósfera la luz comenzó a catalizar una capa de ozono, O₃, al disociar los dos átomos que componen el gas de oxígeno O₂. Esta capa protegió la superficie de los mares favoreciendo la extensión del plancton superficial y, a la postre, la propagación de las bacterias. Tuvo que ser por tanto poco después, posiblemente en la frontera con el Proterozoico, mientras despegaba lentamente el oxígeno en la atmósfera, cuando se conquistó un nuevo avance en la eficiencia, aprovechando que el oxígeno generado en la fotosíntesis podía ser usado para incrementar notablemente el rendimiento energético del metabolismo. La respiración aeróbica, una de las más notables adaptaciones biológicas que sobre el planeta se ha dado, fue lo que permitió  a los seres que la practicaron, unos 1.500 millones de años más tarde, iniciar una forma de vida  más estable, compleja y especializada, como podemos apreciar en las actuales plantas y animales.

¿Fósiles?

Es casi imposible detectar fósiles de los seres arcaicos, dado que no disponían de partes duras. Sin embargo sí se puede saber de ellos a través de marcadores biológicos -compuestos químicos relacionados con sus procesos metabólicos- o mediante su influencia y las pistas dejadas en el medioambiente.

Comentamos ya en la entrada primera de esta serie,^[5] que correspondía a lo sucedido en el eón Hadeico, el hecho de que en las formaciones rocosas de Isua, en Groenlandia, datadas en hace unos 3.800 millones de años, se han encontrado claras evidencias de carbono de origen orgánico. También más arriba se ha mencionado los indicios encontrados en el cinturón sudafricano de Barberton Greenstone de lo que debieron ser uno de los más antiguos organismos fotosintetizadores de hace 3.300 millones de años. Pero la nómina de candidatos es variada y se va ampliando en el tiempo a medida que se van potenciando las investigaciones.

En primer lugar hablaremos del doble descubrimiento, en Australia y en Sudáfrica, de lo que fueron tapetes microbianos.^[6] El australiano es de hace 3.500 millones de años y el segundo de 2.900 millones de años. Evidentemente (por su difícil fosilización) no hay restos biológicos de los organismos que los construyeron pero su mera existencia permite conjeturar que en aquella época ya había vida.

En la figura anterior podemos ver unas trazas halladas en algunas rocas de sílex de Australia occidental datadas en 3.500 millones de años de antigüedad, lo que le conferiría la etiqueta de uno de los organismo vivos más ancestrales, quizás algas verde-azuladas, del que se tendría una evidencia. No obstante se ha especulado mucho acerca de si corresponden a un posible fósil de bacterias.^[7]

En 2011 se obtuvo lo que parece la primera evidencia de fósiles reales datan de hace 3.400 millones de años, tratándose de bacterias que usaban el sulfuro en su metabolismo.^[8] Se han descubierto en una zona rocosa sedimentaria de cuarzo y arena conocida como Strelley Poll, en la región de Pilbara (recordamos el antiguo cratón de Kaapvaal), al oeste de Australia. En el yacimiento los fósiles se encuentran junto a cristales de pirita que probablemente se tratan de subproductos del particular metabolismo de aquellos organismos que podemos ver en la figura siguiente.

Pero hay más pistas. En las rocas de la zona de Strelley Poll, donde se han encontrado los anteriores fósiles, son características unas formaciones rocosas llamadas estromatolitos. Es un nombre que viene del griego στρώμα, strōma “cama/alfombra” y λίθο, litho “piedra”. Son de especial significado en el estudio de la Vida ya que, conjuntamente con la liberación del oxígeno molecular, quizás el más trascendental de esta época, constituye uno de los biomarcadores más claros y abundantes. Sus estructuras se pueden encontrar casi en cualquier momento de la cronología de todo el eón Arcaico, siendo especialmente comunes a finales del mismo.

Los estromatolitos son importantes formaciones fósiles que se comenzaron a formar como mínimo hace 3.700 millones de años -edad de los que recientemente se han encontrado en las ya conocidas formaciones rocosas de Isua en Groenlandia-,^[9] con un máximo en su ubicuidad hace 1.250 millones de años, durante el Proterozoico. Posteriormente se redujo su abundancia y diversidad al aparecer organismos complejos que depredaban las bacterias que los construían, si bien actualmente continúan formándose en algunos lugares con aguas muy calientes y de alta salinidad, condiciones que protegen a sus cianobacterias. Los estromatolitos más antiguos que conservan vestigios fósiles de sus colonias bacterianas, datan de hace 2.700 millones de años.

Se conoce bastante bien en qué consisten estas formaciones rocosas gracias a los estromatolitos actuales. Se trata de estructuras estratificadas con un proceso de formación sui géneris. Imaginemos una zona de aguas someras y templadas en donde se asentó una colonia de bacterias formando un extenso y fino tapete. Vivían obteniendo la energía a partir de la luz solar y  se alimentaban del CO₂ e hidrógeno del agua. Con el paso del tiempo este tapete se fue cubriendo con los limos disueltos en el agua que se iban decantando sobre el fondo, y con los carbonatos que las propias cianobacterias generaban, capa sobre capa. La supervivencia obligaba a estirar la cabeza y asomar por encima de la ahogadora capa cálcica y de fangos, produciéndose una migración a través de la capa de carbonatos, por lo que se formaba sobre ella una nueva capa de bacterias vivas. Muchas de ellas morían, pero otras conseguían continuar el proceso emigrando a la superficie del casquete mineral. Con el tiempo estas formaciones consiguieron construir estructuras incluso de varios cientos de metros de espesor. La presión de sus tremendos pesos las fosilizó.

En la misma época en que constatamos las primeras evidencias de vida en los estromatolitos, hace unos 2.700-2.600 millones de años,aparecen también las primeras huellas de microorganismos viviendo en tierra firme, fuera de las aguas. Se trataría de tapetes microbianos de cianobacterias, y han sido encontrados en Sudáfrica.

Y como la curiosidad no descansa todo lo anterior parece superado con los resultados que publicó la revista Nature en marzo de 2017.^[10] En las rocas de Nuvvuagittuq Supracrustal Belt en Quebec, Canadá, datadas entre 3.770 y 4.280 millones de años desde hoy, se han descubierto estructuras filamentosas de hematita -óxido de hierro- resultado de la acción biológica de bacterias. Las estructuras presentan unas ramificaciones que son idénticas a las que generan las bacterias del hierro que se encuentran cerca de fuentes hidrotermales actuales y obtienen la energía que necesitan para vivir por oxidación del hierro disuelto en las aguas de su medioambiente.^[11] Estas estructuras se encontraron junto con grafito y minerales frecuentemente asociados con fósiles. Observamos a la Vida por lo menos a 3.770 millones de años de nosotros… pero, cómo no pensar en extenderla temporalmente hasta el límite máximo que marca las rocas de Nuvvuagittuq ¡290 millones de años tras la formación de la Tierra!

Un merecido zoom sobre las bacterias

Hasta aquí hemos hablado mucho sobre las bacterias e incluso podemos imaginar que en aquellos años eran las reinas de la Tierra. Durante los millones de años del Arcaico habían ido modificando su forma de vida, a veces de forma progresiva y silenciosa, a veces a trompicones. Las podemos considerar un invento bastante perfecto a la vista de su ubicua expansión geográfica y de la vasta colonización de muy diversos nichos. La pequeña vacuola repleta de química había triunfado como unidad de vida: el microbio, la “vida pequeña” en sus dos vertientes de Eubacteria y Archaea.

Organismos unicelulares con un tamaño de unos pocos micrómetros (entre 0,5 y 5 μm, por lo general). En su interior, el material genético constituido por una molécula circular de ADN aún no estaba protegido por una membrana propia. Se cree que la selección debió favorecer la colaboración y unión de genes pequeños, e inicialmente independientes, formando una larga y única cadena. Desde un punto de vista de eficacia para la labor de genes que fueran complementarios, y prácticamente todos lo eran durante aquellos inicios en que aún no les había dado tiempo a evolucionar en demasía, era mejor que el “equipo de trabajo” estuviera unido en una única cadena y por tanto todos se replicaran a la vez. Ello prácticamente aseguraba el que en el futuro siguiera la colaboración, sin lugar a dudas con una probabilidad mayor que si cada uno se replicase por separado y con su propio reloj. Además, el hecho de compartir un mismo reloj de replicación eliminó la competencia entre ellos, entre los que lo hacían más deprisa frente a los que lo hacían más despacio. Así se piensa que se inició el avance evolutivo de la cadena del ADN, el ancestro del cromosoma.

Las pequeñas bacterias son organismos asexuales que se reproducen por división simple, siendo las hijas clones de la madre, de la que heredan copias idénticas de genes. Cuando sus membranas se fragmentan en dos se duplica también el ADN y se reparte el citoplasma y los orgánulos internos.

A pesar de que según lo anterior parece que siempre se mantendrá de generación en generación el paquete genético idéntico, esto no es así. Su ADN está sometido a cambios, unos por motivos azarosos al producirse errores en el proceso de su duplicación o por la influencia de agentes mutagénicos, y otros al practicar una especie de sexo virtual cuando entre ellas mismas se da un intercambio de genes, proceso que es muy habitual y que se puede producir por contacto directo entre distintas bacterias o por transferencia a través del medio en que se encuentran. Todo un extenso menú de variaciones con el que consiguieron la diversificación tan extraordinaria que presentan.

Ya hemos comentado que los estudios filogenéticos moleculares han podido demostrar que existen dos familias principales, denominadas Eubacteria y Archaebacteria. Aunque son bastante similares en forma y en tamaño, tienen una historia evolutiva independiente y presentan muchas diferencias en su bioquímica. Como ya hemos comentado más arriba, sus membranas están compuestas de diferentes fosfolípidos, así como lo son los polímeros que conforman sus cápsulas externas. Las archaeas poseen genes y varias rutas metabólicas que son más cercanas a las de los eucariotas, es decir son más “primas” nuestras, de los humanos, que las bacterias “auténticas”.

En aquella época ancestral ni unas ni otras debían ser muy distintas a sus tataranietas actuales, que constituyen el grupo de organismos más abundantes del planeta, con aproximadamente 22 filos.^[12] Son ubicuas, encontrándose en todos los hábitats terrestres y acuáticos. Crecen hasta en los lugares más extremos, como en los manantiales de aguas calientes y ácidas, en desechos radioactivos, o en las profundidades tanto del mar como de la corteza terrestre. Algunas bacterias pueden incluso sobrevivir en las condiciones tan opuestas a la vida como las del espacio exterior. A una bacteria se la puede congelar o desecar y mantenerla así por años con la seguridad de que “resucitará” cuando se vuelva a encontrar con condiciones propicias.

Y aquí siguen, entre nosotros. Aunque el número de especies apenas alcanza el 0,5% de todas las especies vivas descritas actualmente, su biomasa global sería equivalente a la de todos los vegetales que cubren el planeta. Se estima que en un gramo de tierra cohabitan en torno a 40 millones de células bacterianas y un millón de ellas en un mililitro de agua dulce. En total, se calcula que hay aproximadamente 5×10³⁰ bacterias en el mundo. En el cuerpo humano hay aproximadamente diez veces más bacterias que células del cuerpo propiamente dicho, principalmente en la piel y en el tracto digestivo.

¡Todo un éxito el de las reinas del Arcaico! ¿No?

Se acaba este eón y el siguiente salto evolutivo en la biosfera se hará esperar unos millones de años. La Tierra era un hervidero de vida, muy activo en su elementalidad, donde los seres procariotas perfectamente adaptados a su medio ambiente no necesitaban más y tampoco aportaban más.  Habría que permanecer con los dedos cruzados unos cientos de millones de años para que se diera un proceso simbiótico que desembocó en la célula eucariota, la célula con núcleo.

Mientras, la máquina geológica de la Tierra continuaba girando. La frontera con el Proterozoico no debió ser muy idílica. Un creciente vulcanismo afloraba nuevas masas de tierras que iban a seguir un rumbo gobernado ya por una decidida tectónica de placas. Los mares cálidos recibían cada vez más sedimentos de los florecientes continentes nuevos, mientras en sus aguas ligeramente ácidas se secuestraba al CO₂ en forma de carbonatos. En la atmósfera el oxígeno decía ¡aquí estoy yo! amenazando la consistente Vida que con infinidad de trucos había llegado hasta estos años. Pero el proceso era ya imparable, pasase lo que pasase.

El “misterio” se comenzará a desvelar durante el Proterozoico. En la próxima entrada.

1. Las podéis encontrar en los siguientes enlaces, aquí y aquí [↩]
2. Estudio publicado en ScienceDirect de noviembre de 2015. [↩]
3. Podéis completar la opinión de Cavalier-Smith leyendo este artículo publicado en “International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology” de 2002. [↩]
4. La crisis del oxígeno fue un cambio medioambiental muy importante. La emisión de dioxígeno -oxígeno molecular- al medio ambiente, producido por los primeros organismos fotosintéticos, eventualmente provocó una crisis ecológica -una extinción masiva- para la biodiversidad de la época, pues el oxígeno era tóxico para los microorganismos anaerobios dominantes entonces. [↩]
5. Se trata de 01 “Hadeico” que podéis enlazar aquí. [↩]
6. Este descubrimiento está reseñado en la revista Astrobiology nº 12 de 2013. Lo podréis leer aquí. [↩]
7. Un ejemplo de ello lo encontramos en esta publicación aparecida en 2015. [↩]
8. Apareció publicado en la revista Nature de julio de 2011, que podréis enlazar aquí. [↩]
9. Publicado en la revista Nature de septiembre de 2016 y que podéis encontrar en este enlace. [↩]
10. En este enlace podéis encontrar la publicación de Nature mencionada. [↩]
11. Recordemos lo que decíamos en la entrada número 05 de nuestra serie acerca de esta posibilidad de “casa natal” de la Vida. [↩]
12. Los filos son las grandes agrupaciones de los organismos vivos de acuerdo a sus planes generales de organización corporal. [↩]