De la endosimbiosis a las primeras plantas terrestres

Escrito por Ernesto Vázquez Chimalhua

El modo de vida actual ha sido moldeado por la acción de las plantas desde hace miles de millones de años. Las plantas son organismos fotosintéticos capaces de capturar luz solar como fuente de energía y de fijar CO2 (dióxido de carbono) atmosférico para aprovecharlo en su propio desarrollo, es decir, son autótrofos debido a que toman moléculas inorgánicas como alimento. Otro rasgo muy importante de las plantas es la cualidad de producir el oxígeno que respiramos.

Desde su origen, las plantas han sido los productores primarios y por lo tanto la base de la red alimenticia de los ecosistemas terrestres, dando sustento nutricional a los organismos heterótrofos (que se alimentan de moléculas orgánicas creadas por los organismos autótrofos) como los humanos. Hoy en día, también son la materia prima de varios artículos de uso cotidiano como papel, madera, resinas, algodón, medicinas, etc. Es importante mencionar que las plantas han sido parte trascendental del desarrollo de nuestras sociedades y culturas.

 

 

Las plantas y sus características de ancestros marinos

Las plantas evolucionaron a partir de microorganismos unicelulares simples nombrados procariontes, caracterizados por no tener un núcleo definido. Tales microorganismos procariontes eran marinos y formaban estructuras sedimentarias hechas de carbonato llamadas estromatolitos. En el suroeste de Groenlandia se ha encontrado el registro fósil más antiguo de estos organismos. El hallazgo corresponde al eón arcaico, que comprende de hace 4 mil a 2 mil quinientos millones de años (Ma) y se remonta a hace 3, 770 Ma, tan solo cerca de 700 Ma después de la formación de la tierra (hace 4, 500 Ma).

Se ha sugerido que, aquellos pioneros que pulularon bajo la atmósfera reductora arcaica y colonizaron el planeta tierra, eran bacterias reductoras de sulfato y arqueas productoras de metano. Mientras transcurrían esos tiempos arcaicos, las bacterias evolucionaron a ser fotosintéticas, lograron absorber la luz para utilizarla como energía mediante la producción de pigmentos. En el presente, siguen existiendo bacterias fotosintéticas, un ejemplo es la bacteria verde sulfurosa (Chlorobia) que se ha encontrado en fumarolas a 2 mil quinientos metros de profundidad en el océano pacifico de México.

 

De las cianobacterias a los cloroplastos en plantas

Fue hace ~2, 600 Ma, que las cianobacterias aparecieron en la tierra a partir de la evolución de las bacterias fotosintéticas. Durante la evolución de las cianobacterias, la membrana plasmática en donde se realizaba la fotosíntesis se especializó invaginándose, de tal modo que se formaron las membranas tilacoides. La mayoría de las cianobacterias modernas contienen membranas tilacoides organizadas en capas internas paralelas alrededor de la membrana plasmática. Las cianobacterias se distinguieron porque producían oxígeno al realizar la fotosíntesis, incrementándose así la cantidad de oxígeno en la atmósfera terrestre al inicio del proterozoico, eón que comprende entre 2, 500 a 542 Ma. El incremento de oxígeno cambió el estado de la atmósfera de reducido a oxidado, eliminó el efecto invernadero termal provocado por el gas metano y propició los prerrequisitos atmosféricos para la vida aeróbica como la conocemos ahora. Actualmente, es bien sabido que las cianobacterias evolucionaron a los cloroplastos utilizados para la fotosíntesis por las plantas terrestres.

 

La teoría endosimbiótica sobre el origen de los eucariontes explica la evolución de los protistas

La teoría endosimbiótica propuesta inicialmente por el ruso Constantin Mereschkowsky en 1905, fue retomada para explicar el origen de las células eucarióticas en 1967 por Lynn Margulis. La teoría endosimbiótica propone que la mitocondria y los plástidos fotosintéticos de una célula eucariótica son el resultado de la evolución de antiguas simbiosis con organismos de vida libre. Se considera que alrededor de hace 1, 900 Ma las arqueas evolucionaron a células eucariotas, caracterizadas por tener compartimientos internos que conforman el núcleo y la mitocondria.

La hipótesis sobre el proceso de evolución de los eucariontes o eucariogénesis dice que, paralelamente se formaron el núcleo y la mitocondria. Se cree que, en los consorcios de microorganismo contenidos en los estromatolitos marinos, algunas arqueas engulleron a bacterias. De tal suerte que, los productos de desperdicio metabólico de la bacteria engullida le servían como recursos energéticos a la arquea hospedera. Eventualmente, la bacteria engullida se convirtió en endosimbionte y finalmente originó la mitocondria.

De forma sincronizada al establecimiento de la mitocondria, la transferencia de genes entre la bacteria endosimbionte y la arquea hospedera ayudó a la creación del núcleo celular, definido por una envoltura membranosa. En el núcleo celular se localizó el ADN (ácido desoxirribonucleico) quimérico de ambos organismo interactuantes. Los descendientes de estas quimeras crearon organismos unicelulares eucariontes a los se les llamó protistas y, en los cuales evolucionó la división celular mitótica y luego meiótica.

El proceso de endosimbiosis dirigió la evolución de las algas y la transición del ambiente marino al terrestre por parte de las plantas

Entretanto avanzaba el proterozoico, en el mar algunas cianobacterias que fueron fagocitadas por protistas, co-evolucionaron convirtiéndose en endosimbiontes. Las cianobacterias endosimbióticas dieron paso a la creación de los plastidios (orgánulos utilizados para llevar a cabo la fotosíntesis) dentro de los protistas, convirtiéndolos en algas.

A partir de un único evento simbiótico se desarrolló el ancestro común que dio origen a las algas verdes, rojas y glaucofitas. Se estima que las algas verdes se originaron hace ~1, 800 Ma, compatiblemente los restos de una alga roja primigenia fueron hallados en tapetes microbianos fosilizados que datan desde hace 1, 600 Ma. La adaptación a vivir en aguas dulces como lagos y ríos por parte de las algas verdes les otorgó una gran ventaja para migrar al ambiente terrestre. Se ha postulado que durante el periodo Ordovícico, de ~485 a 443 Ma, las algas verdes colonizaron la superficie terrestre para generar los ancestros de las primeras plantas terrestre.

Ahora, se sabe que las algas verdes y las plantas terrestres más primitivas, las briofitas, están muy relacionados genéticamente. El microfósil más antiguo de la primera planta terrestre es de hace ~480 Ma, se trata de esporas con características parecidas a las esporas de las briofitas hepáticas modernas. Para lograr establecerse en la tierra, las primeras plantas tuvieron que solucionar muchas adversidades, entre la cuales estaba la adquisición de minerales. Se ha argüido que la simbiosis con algunos hongos micorrícicos ayudó a las primeras plantas terrestres (tipo briofitas) a adquirir los minerales de la tierra. Esporas fosilizadas de hongos micorrícicos de 450 Ma de antigüedad evidencian su presencia en aquellos tiempos. Incluso, existe evidencia fósil precámbrica (de hace 551 a 635 Ma) de que antes de adaptarse a la tierra, las algas lograron hacer simbiosis con las hifas de hongos en el ambiente marino.

La asociación simbiótica de los hongos micorrícicos con las primeras plantas terrestres empezó con un intercambio de nutrientes. Los azúcares producidos por la fijación del CO2 en las plantas eran cedidos a los hongos micorrícicos, a la vez, los nutrientes minerales del suelo que eran adquiridos por los hongos micorrícicos eran provisionados a las plantas hospederas.

La simbiosis de las plantas primitivas con los hongos micorrícicos permitió que las plantas ampliaran el área de captación de nutrientes, facilitando la terrestrialización de las plantas.

 

SABER MÁS: 

De Vries, J., Stanton A., Archibald J.M. y Gould S.B. (2016). Streptophyte Terrestrialization in Light of Plastid Evolution. Trends in Plant Science. 21:467-476.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26895731 

Honrubia, M. (2009). Las micorrizas: una relación planta-hongo que dura más de 400 millones de años. Anales del Jardín Botánico de Madrid. 66:133-144. 

http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=55612935012 

Starr, C., Taggart R., Evers C. y Starr L. (2009). Biología, la unidad y la diversidad de la vida. Editorial Cengage Learning. 12a edición. 368-387 pp.

http://www.revistaciencias.unam.mx/images/stories/Articles/73/CNS07302.pdf. 

 

M.C. Ernesto Vázquez Chimalhua es estudiante del Programa Institucional de Doctorado en Ciencias Biológicas, opción Biología Experimental, adscrito al laboratorio de Ecología Microbiana del Instituto de Investigaciones Químico-Biológicas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.

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