Supongamos que fabricamos una máquina del tiempo y mandamos a un viajero, al que vamos a llamar Toni, a explorar la Tierra de hace dos mil quinientos millones de años. Debería llevar un buen traje espacial para poder respirar y protegerse de la intensa radiación ultravioleta. En esa Tierra primitiva no habría oxígeno libre en la atmósfera y, por lo tanto, tampoco habría capa de ozono.
El destino de nuestro viajero es la desembocadura de un río en el mar. Si esperaba encontrar alguna fauna y flora se llevaría un tremendo chasco, porque no vería un solo animal, pero es que tampoco vería nada parecido a una planta, una seta o incluso un simple musgo. Y, sin embargo, la vida ya llevaba existiendo en el planeta por más de mil quinientos millones de años. ¿Por qué no puede verse?
Micrografía electrónica de barrido coloreada de cianobacterias, también conocidas como algas
verde azuladas. Junto a ellas se ven varias esporas de color rosa.Getty
La vida escondida
Mirando con un poco más de atención en las rocas y orillas del estuario, es probable que Toni viera unos tapetes de aspecto viscoso similares a los limos que se encuentran en las charcas actuales. Esos tapetes tendrían colores tan variados como el verde, el amarillo, el rojo y el púrpura. Serían las estructuras biológicas más grandes que se podrían ver a simple vista. Si utilizáramos un microscopio para estudiar su composición, podríamos ver que son comunidades formadas por bacterias con un aspecto muy similar a las actuales. Habría bacilos, cocos y filamentos, pero no veríamos algo tan complejo como una ameba o un protozoo, pues aún faltan quinientos millones de años para que aparezcan los eucariotas.
Las células eucariotas, con núcleo y mitocondrias y envueltas en un material gelatinoso, fueron el resultado de la endosimbiosis entre las arqueas y las cianobacterias.
Los tapetes microbianos son unos ecosistemas relativamente simples si los comparamos con los ecosistemas del presente. Los colores tan llamativos son debidos a la presencia de pigmentos como la clorofila y los carotenos, producidos por las bacterias capaces de realizar la fotosíntesis. Esos pigmentos son análogos a los componentes de una placa solar y en las células se asocian a unas proteínas disponiéndose en unas configuraciones ordenadas denominadas fotosistemas. Según la configuración, puede que aprovechen mejor un tipo luz que si se disponen de otra forma.
La evolución permitió que aparecieran diversas configuraciones de dichos fotosistemas y de ahí la gama cromática de los tapetes microbianos. Las bacterias fotosintéticas serían los productores primarios que utilizarían la energía de la luz solar para generar compuestos orgánicos a partir de moléculas simples como el dióxido de carbono. A su vez, esos compuestos orgánicos sirven de alimento a otras bacterias con metabolismo heterótrofo, que los descomponen de nuevo en dióxido de carbono. Sería una cadena trófica de tan solo dos niveles. Nuestro viajero ha sido enviado a un estuario del pasado por una razón: tiene que estudiar a los seres vivos que provocaron el mayor cambio climático de nuestro planeta: las cianobacterias.
Al poco de surgir la vida en la Tierra durante el eón Hádico, esta se diversificó en dos ramas principales: las bacterias y las arqueas. Vamos a fijarnos en la primera rama porque hace unos tres mil setecientos millones de años, durante el eón Arcaico, una bacteria «inventó» una nueva forma de conseguir energía de una fuente inagotable. Fue el primer ser vivo en realizar la fotosíntesis. Esa bacteria era capaz de absorber la luz solar gracias a un fotosistema y transformarla en energía química que usaba para sintetizar sus biomoléculas. ¿Cómo hacía esa transformación? El fotosistema absorbe los fotones y con su energía puede oxidar moléculas simples como el sulfuro de hidrógeno (H₂S) obteniendo azufre elemental (S0) y protones (H⁺). Aquí lo importante son los protones porque serán la energía metabólica que se utilizará en la transformación del dióxido de carbono en compuestos orgánicos. El azufre elemental es un residuo que se precipita en forma de gránulos insolubles. Lo que se ha descubierto recientemente es que ese fotosistema ancestral también era capaz de oxidar el agua (H₂O), por lo que se obtenía oxígeno (O₂) y protones. En principio esto parece una ventaja porque el agua es muy abundante en la Tierra. Pero lo malo era que ahora el residuo es oxígeno, un gas muy reactivo, tanto que podía destruir a las enzimas metabólicas y matar a las células.
Las dos clases de fotosistemas actúan como complejos de múltiples proteínas que reaccionan
para transferir energía de la luz solar a moléculas químicas durante la fotosíntesis.AGE
Fotosíntesis con o sin oxígeno
La posibilidad de utilizar la luz dio una ventaja evolutiva a esas bacterias fotosintéticas primitivas y de manera muy temprana comenzaron a extenderse por todo el planeta y a divergir en diferentes linajes. Hubo una serie de bacterias que se especializaron en oxidar el sulfuro de hidrógeno y evitar que sus fotosistemas usaran el agua para evitar la toxicidad del oxígeno. Este tipo de bacterias realizan una fotosíntesis anoxigénica y sus descendientes en la actualidad son los grupos conocidos como bacterias rojas, bacterias verdes del azufre y heliobacterias. Pero otro linaje comenzó a especializarse en usar el agua y realizar lo que se conoce como fotosíntesis oxigénica. Fueron los ancestros de las actuales cianobacterias. Eso implicaba una serie de adaptaciones evolutivas para que su metabolismo se adaptase a la presencia del oxígeno gaseoso. Una de las más importantes fue el desarrollo de la respiración aeróbica, mediante la cual se obtenía mucha más energía al oxidar un compuesto orgánico.
Debido a las condiciones de la Tierra primitiva, durante los mil millones de años que quedaban del eón Arcaico, las bacterias que realizaban la fotosíntesis anoxigénica fueron los productores primarios dominantes del planeta. Las cianobacterias fueron relegadas a las aguas dulces y a los hábitats terrestres. De esa época existen microfósiles que son parecidos a los actuales géneros Gloebacter y Pseudanabaena, por lo que su biodiversidad era muy pequeña. Pero hace dos mil quinientos millones de años las cosas cambiaron por completo. Por un lado, los procesos tectónicos provocaron un incremento de los niveles de fosfatos en las aguas y una disminución de la concentración de ion ferroso (Fe₂⁺) en los océanos, lo que favorecía a las cianobacterias. Pero es que además estas desarrollaron una innovación biológica que les dio una doble ventaja evolutiva. Mientras que todos los microorganismos fotosintéticos anoxigénicos solo tienen una clase de fotosistema —hay unos que poseen el fotosistema de tipo I y otros el de tipo II—, las cianobacterias acoplaron los dos tipos de fotosistemas, lo que les dio una mayor flexibilidad metabólica y aumentó el aprovechamiento energético de la fotosíntesis, por lo que podían crecer más rápidamente. La otra ventaja es que producían oxígeno en grandes cantidades, un veneno metabólico para los anoxigénicos.
El cloroplasto surgió de un proceso de endosimbiosis entre un eucariota y una cianobacteria,
y permite captar la energía solar para transformarla en energía química.Shutterstock
Una ventaja evolutiva que desencadena un gran cambio
Ahora eran las cianobacterias las que tenían la ventaja evolutiva sobre las otras bacterias fotosintéticas. Comenzaron a extenderse por todo el planeta y a divergir, dando origen a todos los grupos actuales de cianobacterias. Si nuestro viajero Toni permaneciese en el estuario, pero pudiera acelerar el tiempo para que cada segundo pasara un siglo, vería que, en tan solo doce días, el paisaje de tapetes multicolores habría cambiado a uno en el que todos tendrían una tonalidad verde azulada. Además, también observaría otra cosa. Los niveles de oxígeno en la atmósfera comenzarían a crecer, hasta llegar a un 1 % de la concentración actual. Las cianobacterias estaban provocando un cambio geológico importantísimo, tanto que marca el inicio del eón Proterozoico.
Este cambio es conocido como la Gran Oxidación o GOE (por Great Oxidation Event). La acumulación de oxígeno hizo que el hierro se oxidara de ferroso (Fe₂⁺) a férrico (Fe₃⁺), que es insoluble y se depositó formando las estructuras sedimentarias conocidas como formaciones de hierro en bandas. Una vez oxidado todo el hierro, el oxígeno se siguió acumulando en la atmósfera. Las cianobacterias no fueron las únicas que se beneficiaron de la producción de oxígeno. Como hemos indicado antes, en sus tapetes también convivían otros microbios heterótrofos. Esos microbios no solo aprendieron a tolerar, sino también a aprovechar el oxígeno para su metabolismo, porque la respiración aeróbica les permitía obtener mucha más energía al degradar los compuestos orgánicos producidos por las cianobacterias.
Nuevas problemas, nuevas soluciones
Pero había otros microbios que continuaban con un metabolismo que no requería oxígeno. El caso es que se llegó a establecer la siguiente cooperación. Por un lado, una bacteria que era muy eficiente en el aprovechamiento del oxígeno para oxidar compuestos orgánicos y obtener energía, pero a la que quizá le costaba conseguir esos compuestos orgánicos. Por otro lado, una arquea que era muy eficiente consiguiendo compuestos orgánicos mediante fagocitosis, pero que no podía conseguir suficiente energía al metabolizarlos. Era una situación parecida a la del ciego y el cojo de la fábula, aunque, en este caso, ambos microorganismos cooperaron de manera tan íntima, que se fusionaron en un fenómeno que conocemos como endosimbiosis y dieron lugar a la célula eucariota hace unos dos mil millones de años. Las células eucariotas poseían núcleo y mitocondrias.
Además, apareció una nueva innovación biológica de gran importancia evolutiva: el sexo. Dos células de la misma especie se fusionaban, su material genético se recombinaba y después se repartía entre su descendencia. Al poco tiempo (en términos geológicos) de aparecer los eucariotas sucedió otro evento de endosimbiosis, esta vez entre un eucariota y una cianobacteria, y dio origen al cloroplasto. De esa manera, en una misma célula se habían juntado tres capacidades biológicas muy distintas y muy eficientes. Por un lado, la reproducción sexual, que permitía una gran variabilidad genética y el desarrollo de la complejidad. Por otro lado, la mitocondria, que permitía el aprovechamiento del oxígeno en el metabolismo con lo que se obtenía mucha más energía para suplementar las reacciones químicas necesarias para mantener esa complejidad. Y finalmente, los cloroplastos, una central de captación de energía solar para ser transformada en energía química.
Los primeros fósiles de ese nuevo linaje evolutivo conocido como eucariotas fotosintéticos aparecieron hace unos mil novecientos millones de años y de ellos surgieron todas las algas verdes que posteriormente darían lugar a las plantas terrestres.
En la historia de la vida hay unos cuantos eventos más de endosimbiosis que dan lugar a las algas rojas y a las diatomeas. Pero toda la actividad fotosintética del planeta proviene de las cianobacterias y de sus descendientes en forma de cloroplastos. Posteriores cambios geológicos, sumados a la actividad fotosintética de las cianobacterias y de los cloroplastos, causaron una nueva acumulación de oxígeno en la atmósfera y en los océanos, llegándose a los niveles actuales en lo que se conoce como la Oxidación del Neoproterozoico o NOE (por Neoproterozoic Oxidation Event), ocurrida hace ochocientos millones de años. Parece que esos niveles de oxígeno fueron los que permitieron la aparición de los primeros animales pluricelulares.
La acumulación de oxígeno permitió que se formara la capa de ozono hace seiscientos millones de años. La presencia de dicha capa impidió que la mayor parte de los rayos ultravioleta alcanzara la superficie del planeta y dañara a los seres vivos. La colonización de la superficie terrenal quedaba abierta.
Hoy las cianobacterias están en cualquier zona de la biosfera donde haya luz, y tienen una gran capacidad de realizar uniones simbióticas con multitud de hospedadores, como ascidias, diatomeas y hongos (líquenes). El 25 % de la fotosíntesis que se da en los océanos se debe a las cianobacterias planctónicas de los géneros Prochlorococcus y Synechococcus. Por supuesto, tienen un papel esencial en el mantenimiento de los diferentes ciclos biogeoquímicos de bioelementos como el nitrógeno, el fósforo y el azufre. No debe extrañarnos que los humanos hayamos desarrollado diversos sistemas para aprovechar sus capacidades como alimentos, biofertilizantes o productores de proteínas y sustancias de interés biotecnológico. La Tierra sería un lugar muy distinto sin las pequeñas cianobacterias.
