¡la vida! Ese enigma maravilloso II

Continuamos por donde lo dejamos en la parte I, y, en esta segunda parte, se desarrollara el tema que nos ocupa para mejor comprension de los lectores.

Cancion de Navidad, la afamada historia de redencion escrita por Charles Dickens, se inicia con una amonestación a los lectores para que presten atención a un hecho particular: “El viejo Marley estaba bien muerto… Este hecho debe comprenderse cabalmente, pues de otro modo nada maravilloso puede derivarse de la historia que voy a relatar”.

La Historia de la vida primigenia tiene su propio “Jacob Marley; hecho que, como la muerte del avaro de la historia de Dickens, es necesario comprender cabalmente para que la narración cobre sentido. El primero de ellos es la diversidad metabolica de los microorganismos procariotas, un aspecto clave para explorar la historia de la vida primigenia. Conviene que nos familiaricemos con las numerosas formas de metabolismo que utilizan los procariotas para vivir y que averiguemos donde encajan esos minusculos organismos en el arbol de la vida antes de que podamos calzarnos de nuevo las botas para volver al campo como paleontologos.

Al igual que los eucariotas, muchas bacterias respiran oxigeno. Pero otras bacterias utilizan para la respiración nitrato disuelto (NO₃^–) en lugar de Oxigeno, y aun otras usan iones sulfato (SO₄^2-) u oxifos metalicos de hierro o manganeso. Unos pocos procariotas pueden incluso utilizar CO₂, que parece reaccionar con acido acetico en un proceso que genera gas natural, que es el gas metano(CH4). Los organismos procariotas han desarrollado ademas toda suerte de reacciones de fermentacion.

Las bacterias tambien exhiben variaciones sobre el tema de la fotosintesis. Las cianobacterias, un grupo de bacterias fotosinteticas teñidas de color verde azulado por la clorofila y otros pigmentos, captan la luz del Sol y fijan CO₂ de forma muy parecida a como lo hacen las algas terrestres eucariotas. Sin embargo, cuando en el medio hay sulfuro de hidrogeno (H₂S, bien conocido por su caracteristico olor a “huevos podridos”), muchas cianobacterias utilizan este gas en lugar del agua para obtener los electrones que requiere la fotosintesis. Como productos secundarios se forman entonces azufre y sulfato, no oxigeno.

Las cianobacterias constituyen solo uno de los cinco grupos distintos de bacterias fotosinteticas. En los otros grupos, el aporte de electrones por H₂S, gas hidrogeno (H₂) o moleculas organicas es obligado, y nunca se produce oxigeno. Estas bacterias fotosinteticas captan la luz con bacterioclorofila en lugar de la clorofila, mas familiar. Algunas utilizan los mismos procesos bioquimicos que las cianobacterias y las plantas verdes para fijar dioxido de carbono, pero otras usan vias metabolicas muy distintas, y un tercer grupo se sirve de una fuente de carbono organico en lugar de CO₂.

Las variaciones bacterianas sobre temas metabolicos de la respiracion, la fermentacion y la fotosintesis son, pues, impresionantes, pero los organismos procarioticos han desarrollado todavia otro modo de crecer que es completamente desconocido en los eucariotas: la quimiosintesis. Como los organismos fotosinteticos, los microbios quimiosinteticos toman el Carbono del CO₂, pero obtienen la energia de reacciones quimicas y no de la radiacion solar, lo que consiguen combinando oxigeno o nitrato (o, de forma menos frecuente, el sulfato, el hierro oxidizado o el manganeso) se combina con gas hidrogeno, metano o formas reducidas de hierro, sulfuro o nitrogeno de tal forma que la celula capta la energia desprendida por la reaccion. Los procariotas metanogenicos resultan de particular interes para la ecologia y la evolucion; estas dominutas celulas extraen energia de una reaccion entre hidrogeno y dioxido de carbono en la que se libera metano.

Las vias metabolicas de los procariotas sustentan los ciclos bioquimicos que mantienen la Tierra en su condicon de planeta habitable. Fijemonos por ejemplo en el dioxido de carbono. Los volcanes aportan CO₂ a los oceanos y la atmosfera, pero la fotosintesis lo sustrae a un ritmo mas rapido. Tan rapido, de hecho, que los organismos fotosinteticos podrian desproveer de CO₂ a la atmosfera actual en poco menos de una decada. Naturalmente no ocurre asi, y ello se debe sobre todo a que esencialmente la respiracion realiza la reaccion fotosintetica en sentido inverso. Mientras que los organismos fotosinteticos hacen reaccionar CO2 con agua para producir azucares y oxigeno, los seres vivos que respiran (entre los que podemos incluirnos nosotros) hacen reaccionar azucar con oxigeno y en el proceso liberan agua y dioxido de carbono. Conjuntamente, la fotosintesis y la respiracion reciclan el carbono en la biosfera y sostienen asi la vida y su ambiente a lo largo del tiempo.

No es dificil imaginar un ciclo del carbono simple en el cual las cianobacterias fijen CO₂ en forma de materia organica y suministren oxigeno al medio mientras que las bacterias no fotosinteticas hacen lo contrario, al respirar oxigeno y regenerar el CO₂. Las plantas y las algas pueden realizar la misma funcion  que las cianobacterias, y los protozoos, los hongos y los animales pueden sustituir a las bacterias respiradoras (en ese sentido los procariotas y los eucariotas son funcionalmente equivalentes). Pero dejemos que algunas celulas caigan hasta el fondo del oceano y queden enterradas en sedimentos desprovistos de oxigeno. Aqui las limitaciones del metabolismo eucariota resultan evidentes, pues se necesitan reacciones que no consuman oxigeno (reacciones anaerobicas) para completar el ciclo del carbono. En los actuales sedimentos del fondo oceanico, la reduccion de sulfato y la respiracion con hierro y manganeso son tan importantes como la respiracion aerobica en el reciclado de la materia organica. En terminos mas generales, alli donde el carbono transita por medios falto de oxigeno, las bacterias son esenciales para completar el ciclo del carbono. Los eucariotas son opcionales.

El valor fundamental de los eucariotas se extiende tambien a otros elementos de importancia biologica. De hecho, en los ciclos biogeoquimicos del azufre y del nitrogeno, todas las vias metabolicas importantes para el reciclado de estos elementos son procariotas. Piensese en particular en el nitrogeno, un elemento esencial necesario para la sintesis de proteinas, acidos nucleicos y otros compuestos biologicos. Vivimos inmersos en gas nitrogeno. (El aire esta compuesto en un ochenta por 100 de su volumen por gas nitrogeno.) Pero este gigantesco almacen de nitrogeno no se encuentra biologicamente disponible para nosotros, que, como el resto de los animales, obtenemos el nitrogeno que necesitamos consumiendo otros organismos. Y el gas nitrogeno no se encuentra mas disponible para las vacas o el maiz que para los humanos. Las plantas pueden absorber amonio (NH₄ ⁺) o nitrato del suelo, pero ¿como llegan estos compuestos hasta alli? El amonio se libera durante la descomposicion de celulas muertas; el nitrogeno, a su vez, es producido por bacterias que oxidan amonio. En medios ricos en oxigeno el nitrato resultante queda disponible para las plantas (o, en ecosistemas acuaticos, para las algas y las cianobacterias), pero en los suelos anegados y otros ambientes pobres en O₂ otras bacterias usan nitrato para respirar y devuelven gas nitrogeno a la reserva atmosferica de N₂. (Buena parte del nitrato que se aporta a los campos con los abonos tiene ese destino.)

De modo que todavia no hemos resuelto nuestro problema. El amonio y el nitrato del suelo y del agua del mar provienen de celulas muertas, y las bacterias que respiran nitrato inexorablemtne sustraen nitrogeno biologicamente util de la biosfera. Entonces, ¿Que es lo que alimenta el ciclo del nitrogeno e impide que se frene? La respuesta es que algunos organismos son capaces de convertir nitrogeno atmosferico en amonio utilizando para ello las reservas de energia de la celula. Ningun organismo eucariota puede fijar nitrogeno por este proceso, pero si muchos procariotas. Los rayos fijan una pequeña cantidad de nitrogeno al cortar la atmosfera, pero la sed de nitrogeno de la biosfera es saciada principalmente por las bacterias.

Los ciclos del carbono, el nitrogeno, el azufre y otros elementos se encuentran ligados entre si formando un complejo sistema que controla el pulso biologico del planeta. Como los organismos necesitan nitrogeno para fabricar proteinas y otras moleculas, no podria haber ciclo de nitrogeno sin fijacion de nitrogeno. El propio metabolismo del nitrogeno depende de la presencia de enzimas que contienen hierro; por tanto, si no hubiera hierro biologicamente disponible no podria haber ciclo de nitrogeno… ni ciclo de carbono. La biologia de otros planetas puede incluir o no organismos grandes e inteligentes, pero lo que si habra siempre alli donde persista la vida son metabolismos complementarios que permiten el reciclado de los elementos biologicamente importantes de la biosfera.

A estas alturas debe haber quedado claro por que insisti en la primera parte de este trabajo en que las plantas y los animales evolucionaron para hacerse un hueco en un mundo procariota y no alreves. Nuestro mundo es procariota, y no en el sentido trivial de que haya muchas celulas procariotas. Los metabolismos procariotas conforman los circuitos ecologicos fundamentales de la vida. Son las bacterias, y no los mamiferos, los que sustentan el funcionamiento eficiente y persistente de la biosfera.

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