sábado, 28 de enero de 2017

Mensajes amables de fin de semana: un salto clave en la evolución, la capacidad de fabricar comida



Estimad@s Clientes y/o amantes del LEAN:

Uno de los saltos más impresionantes de la evolución es la capacidad de fabricar comida, porque eso condicionó todo el desarrollo evolutivo posterior
Traducido a bioquímica, es la capacidad de producir compuestos orgánicos a partir de inorgánicos, mucho más abundantes.
Estas reacciones requieren de gran energía que los seres vivos obtienen del calor, degradación de otros compuestos orgánicos/ inorgánicos o de la luz.
La fotosíntesis no podría ser posible sin los fotorreceptores que además probablemente coevolucionaron con la mejora del flagelo. Ninguno de estos “castillos de naipes” habría aguantado sin la fidelidad en la copia del DNA.

¿Por qué las plantas son verdes? 
Responder a esta pregunta diciendo “por la clorofila” sólo le pasa el problema a esta. En efecto las plantas poseen grandes cantidades de clorofila la cual no absorbe el color verde y por ende las plantas son de este color. Pero la pregunta clave es ¿por qué las plantas descartan la luz verde como fuente de energía?


Espectro de absorción de la clorofila a (verde) y b (rojo). Fuente wikipedia


El verde y amarillo son los más intensos entre los colores del espectro que llegan a la Tierra, No me meteré en el resto de longitudes del espectro no visible, ya que básicamente las ultravioletas son dañinas para el DNA y las infrarrojas carecen de energía suficiente.
Por ello cobraría sentido que las plantas hubieran desarrollado moléculas destinadas a absorber dichos colores en vez de la clorofila que absorbe longitudes de onda menos abundantes como el azul y el rojo. Una posible respuesta sería que no existen materiales disponibles en la naturaleza para adquirir energía de forma eficiente de la luz verde y amarilla. Para averiguarlo debemos entender cómo funciona la clorofila en las plantas, algas y en algunas cyanobacterias.
Explicar en detalle cómo se transforma la energía de la luz en alimento sería demasiado extenso.
La versión corta es que la clorofila canaliza la luz azul hacia un centro (fotosistema II) que hidroliza el agua en oxígeno, protones y electrones; la luz roja, menos energética, es canalizada a otro centro (fotosistema I) que utiliza los electrones y parte de los protones para empaquetar químicamente esa energía en moléculas (NADPH, además del ATP que se forma con el resto de protones).

Estas moléculas será las que permitan a la planta utilizar el CO2 para producir glucosa. Es un proceso muy sofisticado donde la energía de cada longitud de onda absorbida juega un papel fundamental por lo que no sonaría descabellado pensar que es la configuración óptima (más detalles en Wikipedia).



Esquema de la fotosíntesis. Se pueden apreciar los saltos energéticos durante el proceso

¿Existe algún sistema eficaz para absorber y utilizar de forma eficaz la energía proveniente de la luz verde y amarilla? La respuesta es afirmativa y nos acerca a la explicación más plausible al problema que hemos planteado. Las bacterias púrpuras utilizan pigmentos que absorben las longitudes de onda más abundantes como fuente de energía y desechan el azul y el rojo dándole a esas bacterias su característico color púrpura(ver espectros, retinal es el pigmento de la bacteria). Estas bacterias pueden encontrarse en ambientes extremos como geysers o lagos muy salados. No parecen una dura competencia, pero eso es ahora.




Este podría ser el aspecto de la Tierra bajo el dominio de las bacterias púrpuras.


Por lo que sabemos, hace cientos de millones de años las bacterias púrpuras dominaban la tierra cuando las algas aparecierones bastante plausible que nuestro planeta azul fuera más bien púrpura por aquel entonces (Nota: esto es, de momento, sólo una hipótesis basada en el dominio de las bacterias púrpuras mucho antes de que apareciera el oxígeno).
Las cyanobacterias (que son bacterias  verdeazuladas o verdes, precursoras de las algas),  y tras ellas las algas, evolucionaron y sobrevivieron en ese ambiente utilizando el nicho que las bacterias púrpuras les habían dejado, las únicas longitudes de onda útiles que las bacterias púrpuras no estaban aprovechando.
Como el alumno que supera al maestro las cianobacterias, algas (y finalmente las plantas) acabaron desplazando a las bacterias púrpuras. La clave sería el oxígeno que desprenden cianobacterias, algas y plantas, esencial para nosotros pero muy dañino hace cientos de millones de años para todo ser viviente en la Tierra.
Es posible que las plantas eligieran devolver el verde ya que es el pico de emisión de luz solar (sí, nuestro querido sol no es amarillo, sino verde, sólo que lo vemos blancoamarillento por la mezcla de colores resultante. Por eso no existen estrellas verdes, sino blancas). Esto permitiría a las plantas no quemarse por acción de la luz solar. Cuando las temperaturas y la radiación solar va bajando, las plantas se van volviendo… adivinemos… ¡rojas!
Esto aumenta la eficiencia de absorción en los verdes y amarillos, usando otros pigmentos diferentes que salen a luz al degradarse la clorofila.
 Otra explicación tiene que ver más bien con el hecho de que las plantas surgieron bajo el agua. Allí la absorción en colores ultravioletas al verde es bastante mala, con lo cual empezaron con el rojo, que es la que llegaba a suficiente profundidad. A medida que iban ascendiendo, trasladaron (o complementaron) su pico al azul, dejando el de en medio como una especie de “eslabón perdido”

Completaré este escrito con un resumen delicioso de los 10 principales saltos evolutivos más relevantes, según el link del final del escrito…….básicamente, está clarísimo y lo comparto al 100%......gracia Tall&Cute

Los diez pasos evolutivos más relevantes

La evolución de las especies a lo largo de su historia ha permitido la aparición de cualidades impresionantes a los seres vivos. En este post me gustaría repasar los que creo son los 10 cambios más relevantes que han ocurrido en la historia de la vida en la Tierra desde que aparecieron los primeros seres vivos. Evidentemente estos pasos fueron todos muy graduales y es difícil acotarlos en “un paso”. La lista está ordenada por orden cronológico de aparición partiendo de los primeros seres replicantes cuyas características concretas sólo podemos especular actualmente:

1-La fidelidad en la copia del DNA
Una bacteria actual comete un error en la copia del DNA cada 10E10 generaciones aproximadamente. Este ratio entre mutaciones y fidelidad permite adaptaciones pero limitando acumular grandes errores rápidamente que acabarían con la especie. La principal artífice de esta maravilla evolutiva se llama DNA polimerasa que por si sola es capaz de copiar fielmente varios miles de bases de DNA  antes de cometer un error. Las versiones más avanzadas y que aparecieron más tarde en la evolución de los eucariotas tienen además mecanismos de revisión para minimizar los errores cometidos. Su necesidad para la vida es tal que no existen seres vivos que carezcan de este mecanismo. Sólo algunos virus como el HIV que a cambio utilizan la perfecta maquinaria celular.


2-El flagelo


                                                                 Flagelo bacteriano


De esperar a que la comida llegue, a ir a p0r ella. Este uno de los cambios principales cambios que supuso el flagelo. Aunque anteriormente las bacterias desarrollaron pequeños filamentos (cilios) que permitían cierto movimiento lo cierto es que estás estaban totalmente sometidas a las fuerzas que gobiernan el movimiento browniano: Imaginad que estáis dentro de una piscina llena de canicas que se propulsan a toda velocidad en todas direcciones. El flagelo suponía además una mejora en la capacidad de colonizar nuevos y lejanos ambientes o de escapar de circunstanrcias adversas. Puedes ver un vídeo sobre la evolución del flagelo aquí donde se postula su aparición a partir de un organulo destinado a la sujeción.

2-El fotorreceptor
Y se hizo la luz. La capacidad de reconocer la luz suponía inicialmente acceso a alimento (la síntesis de muchos compuestos orgánicos es catalizada por la luz) y una guía para el movimiento (define arriba y abajo). Sin embargo este pequeño avance sembraría la semilla para dos futuros mecanismos de gran relevancia: la fotosíntesis y la visión. Los fotoreceptores se basan en pigmentos capaces de excitarse con la luz y de transmitir dicho estado excitado a alguna proteína.

3-La fotosíntesis
¿Quién necesita comida cuando puedes fabricarla? Este es quizás el salto evolutivo más impresionante: la capacidad de producir compuestos orgánicos a partir de inorgánicos, mucho más abundantes. Estas reacciones requieren de gran energía que los seres vivos obtienen del calor, degradación de otros compuestos orgánicos/ inorgánicos o de la luz. Podéis leer algo más sobre la fotosíntesis en este otro post que escribí. La fotosíntesis no podría ser posible sin los fotoreceptores que además probablemente coevolucionaron con la mejora del flagelo. Ninguno de estos “castillos de naipes” habria aguantado sin la fidelidad en la copia del DNA.

4-El ciclo de Krebs y la respiración oxidativa
La fotosíntesis trajo consigo  una nueva época de problemas u oportunidades según se mire. El principal deshecho de la fotosíntesis es el oxígeno. Una molécula que ahora nos parece inocua pero que cuando apareció era como vivir en un mar de arsénico. El oxígeno tiene la capacidad de oxidar el DNA y las proteínas e interfería en muchas de las reacciones necesarias para las bacterias de la época. La aparición del oxígeno atmosférico probablemente fue un proceso rápido que acabo de un plumazo con la mayoría de las especies. Algunas especies (entre ellas las productoras de oxígeno) desarrollaron mecanismos para inactivar el oxígeno, entre estos mecanismos encontramos la utilización de electrones y protones que reaccionan con el oxígeno produciendo agua. Curiosamente se pueden obtener electrones como productos de deshecho del metabolismo de compuestos orgánicos. La sofisticación del metabolismo de los azucares en el denominado ciclo de Krebs junto a un complejo sistema de transporte de electrones permitió aprovechar al máximo la energía de los compuestos orgánicos.

5-La célula eucariota
La complejidad de la aparición de la vida es el único hecho comparable a la aparición de la célula eucariota. Se ha especulado que los eucariotas provienen de la simbiosis de varios tipos bacterianos, hipótesis que cobra fuerza con los análisis genéticos. En cualquier caso la aparición de células con núcleo definido y orgánulos es una gran caja negra. Uno de los procesos evolutivos más interesantes que nos quedan por descifrar. El gran avance de la célula eucariota puede describirse con algo tan simple como la compartimentalización. Cada cosa en su rincón. Muchas de las reacciones químicas celulares requieren un ambiente muy específico incompatible con otras reacciones.

6-La especialización celular
El hijo favorito. Una célula se divide en dos pero no deja lo mismo en cada célula hija: una contiene más deshechos que otra, diferente concentración de proteínas o le falta algún componente. Estos podrían haber sido los antecedentes de la especialización celular. Ocurre actualmente en bacterias, levaduras o algunas algas unicelulares  y que en algunos casos viven en colonias, donde algunos individuos se especializan en ciertas funciones en función de su localización dentro de la colonia. La especialización supone una mayor eficiencia. De allí hasta células como las neuronas o los glóbulos blancos quedaría aun un buen trecho.

7-La reproducción sexual
¡Qué sería de nosotros sin el sexo! Se ha sugerido que la reproducción sexual permite una rápida adaptación de las especies al eliminar rápidamente las mutaciones perniciosas y esparcir las beneficiosas.  Su aparición podría estar relacionada con virus y otros parasitos o bien como un resultado colateral de la estrategia de duplicar el genoma para reducir los efectos de las mutaciones. En cualquier caso los seres vivos con reproducción sexual se han diversificado y adquirido una complejidad que ningún ser asexual puede superar.

8-El desarrollo embrionario



“Nada de lo que te ocurra en la vida te marcará tanto como la gastrulación“. Las instrucciones para formar un cuerpo de forma progresiva y ordenada supusieron el salto entre un mundo de medusas y gusanos al actual. Instrucciones que se encuentran agrupadas en bloques o paquetes genéticos que permiten gran adaptabilidad. Un paso a destacar en el desarrollo embrionario es la gastrulación, que consiste en la invaginación de una capa de células del embrión. Así, a primera vista no parece tan importante pero su aparición supuso la especialización en 3D, como ocurre en la mayoría de animales como nosotros frente a la especialización en  2D que ocurre en los gusanos.

9-El sistema nervioso y el cerebro
Mucho antes de la aparición del sistema nervioso las células se comunicaban solamente mediante contactos con su célula vecina y la emisión de señales, como hormonas. En mi opinión el salto no está tanto en la formación de una red para hacer llegar las señales más rápido sino en una centralización de las señales, que a largo plazo supondría la aparición del cerebro. El estudio de las redes neuronales ha avanzado considerablemente en los últimos años gracias a los estudios en varios animales modelo, especialmente en el gusano C. elegans, del que conocemos la red que forman sus 302 neuronas.

10-La percepción del individuo
Hasta hace unos pocos años se creía que sólo los primates superiores teníamos esta capacidad. Sin embargo varios estudios demuestran que otros mamíferos como el elefante o el delfín, e incluso aves como la urraca poseen dicha habilidad. Se ha especulado que esta capacidad es la precursora de la aparición de lo que llamamos el yo y del pensamiento racional. Si bien este último merecería una escala entera por sí mismo.





Que disfrutéis cada hora del fin de semana

Un cordial saludo

Alvaro Ballesteros


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