Estrategias de inmortalidad en el mundo natural

A través de Microsiervos he llegado a un apunte en Novedades Científicas en el que se hace eco del descubrimiento de evidencia del que podría ser el ser vivo más longevo conocido, una conífera noruega cuyo sistema de raíces tiene restos en estratos correspondientes a 9.550 años de antigüedad (lo que en principio sería una cota inferior de la edad de este organismo en particular). Este apunte me hizo recordar a otro organismo también de record y que podría competir (y de hecho apabullar a esta conífera) en términos de longevidad. Se trata de Pando, un bosque de álamos temblones radicado (nunca mejor dicho) en Utah, EE.UU. También conocido como El Gigante Tembloroso, Pando es una colonia clónica de árboles que comparten el sistema de raíces. Todos los miembros de la colonia tienen el mismo perfil genético, lo que unido a la compartición de las raíces justifica pensar en la colonia como un único organismo, del que cada miembro clónico sería sólo una extremidad.

Este organismo es realmente formidable, con una extensión de 43 Ha, un peso de 6.000 toneladas, y una edad estimada en 80.000 años. Para tener una idea de lo que esto significa, el hombre llegó a América procedente de Asia hace unos 10.000-20.000 años, más o menos el momento en el que se produjo la última (hasta ahora) floración de Pando: los cambios climáticos han hecho del ambiente actual un entorno muy diferente del aquél en el que Pando surgió. Hay incluso cierta controversia en cuanto a la estimación exacta de la edad del organismo, y hay quien aventura que podría ser de un millón (!) de años. De hecho, se especula con que otros organismos similares menos estudiados también en Utah podrían tener más edad que Pando. Incluso sin ir tan lejos, hay un formidable ejemplo de colonia clónica en Ibiza: se trata de un ejemplar de Posidonia oceánica, una planta marina, de 8 km de largo y unos 100.000 años de antigüedad (esto es, más que la estimación actual de la edad de Pando).

Si lo anterior es realmente asombroso, hay otro organismo (animal para más señas) que realmente riza el rizo y puede considerarse en cierta medida inmortal. Se trata de la Turritopsis nutricola, una hidromedusa que tiene la fantástica capacidad de revertir su estado adulto y convertirse de nuevo en pólipo. Este proceso puede repetirse indefinidamente, lo que a efectos prácticos supone que un ejemplar nunca muere como tal. Este comportamiento fue descrito por Stefano Pireano y colaboradores en un trabajo titulado

• Reversing the Life Cycle: Medusae Transforming into Polyps and Cell Transdifferentiation in Turritopsis nutricula (Cnidaria, Hydrozoa)

publicado en 1996 en The Biological Bulletin. El proceso por el cual se produce una nueva diferenciación de células ya diferenciadas se denomina transdiferenciación, y es mediante el que algunas especies animales consiguen regenerar algunos de sus órganos. Sin embargo, la completa vuelta a la infancia de esta medusa es realmente excepcional. Hay un análisis más detallado del ciclo vital de esta especie en otro trabajo -también de Pireano y colaboradores- titulado

• Morphological and ultrastructural analysis of Turritopsis nutricula during life cycle reversal

publicado en Tissue and Cell. Desde el punto de vista externo, el proceso es bastante curioso, ya que la medusa evierte su umbrela y reabsorbe los tentáculos, fijándose a una roca por lo que anteriormente constituía su parte interna. Hay una figura ilustrativa de todo el proceso aquí.

Fotosíntesis in silico, Plantas Transgénicas, y Algoritmos Evolutivos

La evolución natural es muy frecuentemente un proceso anti-intuitivo. Tendemos a etiquetar diferentes características de algunos organismos como positivas o negativas, pero luego observamos como sorprendentemente estas características no han sido plenamente optimizadas durante el proceso evolutivo. Hay muchas razones por las que esta aparente paradoja no es más que el resultado de un análisis incompleto de la situación. Por ejemplo, existen restricciones estructurales que restringen los posibles cambios evolutivos en cada instante, hay variables ocultas cuya interacción con las variables analizadas no se tiene en cuenta, y existe una situación de recursos limitados que impide que en general la evolución de diferentes componentes de un organismo pueda realizarse de manera independiente entre sí. Si a todo esto le añadimos que la característica final optimizada por la selección natural es la eficiencia en supervivencia y fertilidad, no es de extrañar que características que externamente consideraríamos importantes puedan tomar caminos evolutivos sorprendentes.

Un ejemplo de índole mucho más práctica de todo lo anterior lo encontramos en el ámbito de las plantas. La eficiencia del proceso de fotosíntesis es fundamental para el crecimiento de la planta y de los frutos que produce. Sin embargo, la distribución de recursos metabólicos optimizada por la evolución para maximizar localmente la supervivencia y la reproducción no necesariamente conlleva una maximización de la productividad fotosintética. El cómo dicha productividad podría mejorarse con una diferente distribución de recursos es algo que ha sido estudiado por Xin-Guang Zhu, Eric de Sturler and Stephen P. Long, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaing, Virginia Tech y el NCSA, en un trabajo titulado

• Optimizing the Distribution of Resources between Enzymes of Carbon Metabolism Can Dramatically Increase Photosynthetic Rate: A Numerical Simulation Using an Evolutionary Algorithm

publicado en Plant Physiology. Zhu et al. han utilizado un modelo computacional del metabolismo de la fotosíntesis del carbono, compuesto por una colección de ecuaciones diferenciales entrelazadas en las que intervienen 38 variables enzimáticas. La concentración de estas enzimas está sujeta a una restricción global de contenido de nitrógeno, lo que implica que aumentos en una conllevan disminuciones en otra. Usando este modelo computacional en un escenario de recursos fijos como el descrito, puede determinarse cuál sería la eficiencia fotosintética de una planta en unas condiciones ambientales determinadas, dada una cierta concentración inicial de cada una de las enzimas. Esta concentración ha sido posteriormente optimizada para maximizar la eficiencia fotosintética mediante un algoritmo evolutivo (como nota curiosa, los autores del trabajo citan a D.E. Goldberg -quizás por la cercanía geográfica, ya que Goldberg está también en Illinois- en relación al algoritmo evolutivo, aunque el enfoque que emplean es una estrategia de evolución al más puro estilo de H.-P. Schwefel e I. Rechenberg).

Credit: Xin-Guang Zhu et al. (c) American Society of Plant Biologists

Como puede apreciarse en la figura superior (tomada de la figura 4 en el artículo citado), se consigue optimizar la absorción de CO₂ mediante el ajuste de las concentraciones enzimáticas. Esta información resulta de gran utilidad con vistas a la experimentación transgénica, ya que da pistas muy relevantes sobre modificaciones genéticas que pueden explorarse. Más aún, hay una circunstancia fundamental que debe considerarse: el cambio antropogénico en la concentración atmosférica de CO₂. Las plantas actuales han evolucionado durante 25 millones de años con concentraciones de CO₂ de 235 μmol mol^-1, pero en la actualidad esa concentración ha alcanzado 384 μmol mol^-1, y puede llegar a 700 μmol mol^-1 a finales de siglo. Claramente la evolución natural trabaja a una escala temporal mucho más larga, por lo que no se puede esperar una adaptación rápida a estas nuevas características ambientales. La eficiencia de la fotorrespiración se reducirá en plantas silvestres, lo que abundará en la necesidad de la experimentación transgénica para el consumo humano (habida cuenta que no parece que se vaya a estabilizar el nivel de CO₂ a medio plazo).

Los volcanes superficiales hicieron posible el surgimiento de oxígeno atmosférico hace 2,500 millones de años

Hace unos 3,000 millones de años la Tierra era un lugar bien diferente a la actualidad. Se trataba de un mundo geológicamente muy activo, con una gran convección en el manto que provocaba fuerte vulcanismo y una poderosa tectónica de placas que a la postre impedía la formación de grandes masas continentales. La atmósfera de aquella Tierra primitiva estaba compuesta fundamentalmente por dióxido de carbono, nitrógeno, y posiblemente hasta un 40% de hidrógeno. El oxígeno era virtualmente inexistente, con concentraciones que debían ser inferiores a 10^-5 veces la actual, según indica el registro sedimentario, y el hecho de aunque las temperaturas medias eran similares a las de hoy en día, el Sol tuviera 1/3 del brillo actual indica un poderoso efecto invernadero provocado por el dióxido de carbono y el metano.

Todo cambió hace unos 2,500 millones de años, en la transición entre el Arcaico y el Proterozoico, cuando la atmósfera anóxica tocó a su fin, y el oxígeno empezó a ser abundante como hoy en día. Una de las explicaciones más comunes a este hecho es la proliferación de cianobacterias, cuyo metabolismo produce cantidades abundantes de oxígeno. Sin embargo, se tiene constancia de la existencia de estas bacterias con bastante anterioridad al establecimiento de la atmósfera oxigenada, lo que sugiere que aunque su rol liberador de oxígeno pueda ser importante, debe haber algún motivo adicional por el que los sumideros de oxígeno fueran mayores antes de la citada transición. Una propuesta al respecto es la presentada por Lee. R. Kump -de la Pennsylvania state University- y Mark E. Barley -de la University of Western Australia- en un trabajo titulado

• Increased subaerial volcanism and the rise of atmospheric oxygen 2.5 billion years ago

publicado en Nature. La propuesta de Kump y Barley se basa en la observación de que hace entre 2.7 y 2.5 Gyr (1 Gyr = 10⁹ años) se estabilizaron la mayor parte de los cratones arcaicos, como el cratón de Kaapval y el de Pilbara, y surgieron las primeras masas continentales elevadas. Esto dio lugar a un incremento del vulcanismo superficial (en oposición al vulcanismo submarino predominante durante el Arcaico), y tuvo una gran influencia en el poder reductor de los gases volcánicos liberados. Mientras que en un volcán superficial los gases se han formado a elevadas temperaturas y bajas presiones, con predominio de H₂O, CO₂ y SO₂, en un volcán submarino los gases se forman a más baja temperatura y mayor presión, siendo ricos en H₂, CO, CH₄ y H₂S, y resultando mucho más reductores. Usando un cierto índice en el que el valor 1 indica que se produce empobrecimiento atmosférico de oxígeno, Kump y Barley establecen que el vulcanismo superficial resulta en un valor de 0.48±0.14, y la combinación actual de vulcanismo superficial y submarino es del orden de 0.69 (como cabría esperar dada la abundante presencia de oxígeno hoy en día). El vulcanismo submarino predominante en el Arcaico tenía sin embargo un índice reductor de 1.5, más que suficiente para acabar con el oxígeno libre.

La hipótesis es sumamente interesante, y en principio cabe suponer que la única explicación alternativa debería ser un enorme crecimiento de la población de cianobacterias ligado por algún motivo a los eventos tectónicos de hace 2.5 Gyr, lo que por el momento carece de justificación. Resulta entonces que los volcanes, típicamente considerados portadores de destrucción de la vida, pueden ser quizás los grandes responsables de que la vida sea en la Tierra tal como la conocemos.

La vida social secreta de las plantas: La familia es lo que importa

Que las plantas tienen algo similar a una “vida social” es un hecho conocido por los biólogos: son capaces de detectar la presencia de plantas vecinas a través de cambios en los niveles de agua o nutrientes, o por la aparición de señales químicas en el terreno. Sin embargo, un comportamiento mucho más interesante acaba de ser descubierto por Susan A. Dudley y Amanda L. File, del Departamento de Biología de la McMaster University (Canadá): hay plantas que son capaces de distinguir a parientes genéticos dentro de su propia especie. De este hallazgo dan cuenta en un artículo (de acceso libre) titulado

• Kin recognition in an annual plant

publicado en Biology Letters. Básicamente, cuando las plantas se hallan en una situación de gran competición por los recursos con sus vecinos “optan” por invertir más energía en la expansión de sus raíces, para de esta manera conseguir un mejor acceso a los mismos. El matiz interesante se produce cuando se observa que esta competición no es tan agresiva cuando los vecinos están genéticamente relacionados dentro de la especie (esto es, no se trata de que la planta reconozca a otros ejemplares de la misma especie, sino a otros ejemplares que son “primos” cercanos). El experimento de Dudley y File se ha realizado con ejemplares de la variedad lacustre de los ‘cohetes de mar’ (Cakile edentula, ver imagen superior). Cuando se plantan en maceteros separados, los ejemplares de la planta producen la misma cantidad de raíces. Sin embargo, se observa una variación significativa en la masa de las raíces cuando se hace competir en el mismo macetero a ejemplares de diferentes estirpes, en relación a los grupos de plantas de la misma estirpe.

Lo que aún queda por despejar es el procedimiento mediante el cual se produce la identificación de los familiares. Puede tratarse muy probablemente de algún proceso bioquímico, pero está por ver cuáles son las moléculas mensajeras, y cómo funciona el ciclo de detección-promoción del crecimiento de las raíces. Es en cualquier caso asombrosa la riqueza del comportamiento de estos seres, y cómo nuestro “animalocentrismo” nos hace en muchas ocasiones percibir a las plantas casi como mero attrezzo de la Naturaleza.

    

Conteniendo la respiración por primavera: Adaptación a climas áridos

Cuando uno oye hablar de Arizona, lo primero que se le viene a la cabeza es posiblemente el Gran Cañón, inhóspitos desiertos, calor abrasador, … Todo esto es cierto, pero sólo representa una cara de la moneda. Menos conocido es el hecho de que Arizona tiene un monzón todos los veranos. De hecho, el clima de Arizona es bastante extremo en este sentido, con un ambiente muy seco la mayor parte del año, pero con lluvias torrenciales durante el monzón. Las temperaturas por su parte suelen ser muy altas durante el verano, y bordear el punto de congelación durante las noches de invierno. Todo esto ha causado complejas adaptaciones en la vegetación local. Constance Brown-Mitic y colaboradores, de las Universidades de Arizona, Indiana, y California han estudiado los ciclos biológicos de las coníferas en las regiones semi-áridas de Arizona en un artículo titulado:

• Seasonal water dynamics of a sky island subalpine forest in semi-arid southwestern United States

publicado en la revista Journal of Arid Environments. El análisis arroja datos interesantes, ya que los ciclos observados responden a la disponibilidad de agua, en lugar de a la temperatura ambiental, como sucede con las coníferas en otros lugares del mundo. Por ejemplo, el flujo de CO₂ durante el día es esencialmente nulo durante la época primaveral previa al monzón: las temperaturas son altas, el ambiente muy seco, y la humedad en la tierra es virtualmente nula, por lo que el árbol entra en una fase de aletargamiento. Durante el monzón e inmediatamente después del mismo los árboles se “activan” de nuevo, pero no de manera muy pronunciada, ya que la capacidad de retención del agua del terreno es bastante limitada. Con la llegada del invierno -con la bajada de temperaturas, y la presencia de nieve- la humedad del terreno aumenta, y el árbol entra en una fase activa de absorción de CO₂.

Una de las cosas más interesantes de este estudio -al menos para mí- es que muestra cómo organismos complejos pueden adaptar sus ciclos biológicos al entorno local de manera tan peculiar. Como decía el Dr. Ian Malcolm, la vida se abre camino.