Resumen (28 de marzo de 2006): Es bien sabido que los humanos y los otros animales no podrían sobrevivir sin oxígeno. Pero ahora, los científicos están aprendiendo mucho más acerca de la extensión de nuestra deuda evolutiva con una sustancia que alguna vez fue un veneno mortal.





Basado en un informe de DOE LLNL

Monitoreando por satélite el color de la luz reflejada, los científicos pueden determinar cuán exitosamente la vida vegetal está fotosintetizando (o utilizando la energía solar). Hasta ahora, los científicos habían tenido únicamente un registro continuo de la fotosíntesis sobre tierra firme. Pero después de tres años de recolección continua de datos con el instrumento SeaWiFS, la NASA ha conseguido el primer registro de productividad fotosintética en los océanos. Crédito: NASA Scientific Visualization Studio

Es bien sabido que los humanos y los otros animales no podrían sobrevivir sin oxígeno. Pero ahora, los científicos están aprendiendo mucho más acerca de la extensión de nuestra deuda evolutiva con una sustancia que alguna vez fue un veneno mortal.

Una nueva investigación realizada en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL = Lawrence Livermore National Laboratory) y en la Universidad de Boston, demuestra que buena parte de las complejas redes bioquímicas de las que dependen para su existencia los seres humanos y otros organismos avanzados, no podría haber evolucionado sin el oxígeno.

'Lo podríamos llamar el imperativo del oxígeno', dijo el investigador post-doctoral Jason Raymond de LLNL. 'Queda claro que se necesita oxígeno molecular para la evolución de la vida compleja tal como la conocemos'.

Los investigadores han pasado décadas armando mapas de cómo se conectan unos con otros los bloques de la vida', agregó Daniel Segrè de la Universidad de Boston, que ocupa un cargo adjunto en el Director de Biociencias de LLNL. 'Sucede que regiones enteras de este mapa no habrían existido sin el oxígeno'.

Raymond y Segrè utilizaron simulaciones computarizadas para estudiar el efecto del oxígeno sobre las redes metabólicas, los sistemas bioquímicos que permiten a los organismos convertir el alimento y los nutrientes en energía sostenedora de vida. Su análisis demuestra que las más grandes y complejas de esas redes que se encuentran en los seres humanos y en otros organismos avanzados requieren la presencia del oxígeno molecular. El informe de esta investigación se publicó en el número del 24 de marzo de la revista Science.

'Queríamos comprobar cómo la disponibilidad de oxígeno cambiaba los tipos de las reacciones químicas', dijo Raymond, 'tanto en lo que se refiere a los metabolitos (sub-productos del metabolismo) como a las enzimas necesarias para llevar a cabo el metabolismo'.

Raymond y Segrè calcularon el número de combinaciones posibles de los miles de enzimas y productos químicos involucrados en todas las reacciones metabólicas conocidas del árbol de la vida, y culminaron con un número 'virtualmente infinito' de 10 a la 16 536ª potencia. La simulación de tantas redes sería una tarea imposible aún para el LLNL, que alberga las súpercomputadoras más poderosas del mundo.

Micrografías fluorescentes de cianobacterias. Hace unos dos mil millones de años, las cianobacterias (procariotas fotosintéticas productoras de oxígeno que solían ser llamadas 'algas verde-azuladas') fueron las responsables de iniciar el proceso que aumentó la concentración de oxígeno atmosférico desde menos del uno por ciento hasta el aproximadamente veinte por ciento actual, haciendo posible la evolución de los seres humanos y de otros animales. Crédito: Mary Sarcina University College London

Para lograr que el proyecto fuera manejable, los investigadores utilizaron una técnica estadística llamada Monte Carlo, para tomar muestras y simular aleatoriamente unas 100 000 redes. 'Descubrimos que todos los diferentes tipos de redes se ubicaban en cuatro cúmulos diferentes de tamaño y conectividad crecientes, y que en las redes dentro de los cúmulos mayores, el oxígeno molecular estaba siempre presente', dijo Raymond.

Las redes más pequeñas y simples comprenden a los senderos anóxicos (o sin oxígeno) comunes para toda la vida, desde las bacterias unicelulares hasta los mamíferos más grandes. 'Toda la información puede ser recogida analizando los muchos genomas ya secuenciados y disponibles públicamente', dijo Segrè.

'Ciertos procesos resultaron esenciales para el desarrollo de la vida celular más primitiva', agregó Raymond, 'y los reacciones intrínsecas más básicas necesarias para los organismos persisten todavía. Por ejemplo, la forma en que descomponemos la glucosa (azúcar) ha sido notablemente bien conservada por miles de millones de años'.

Sin embargo, para que evolucionaran formas más altas de vida, se necesitaban procesos adicionales, tales como la capacidad de sintetizar, o descomponer, los esteroides y los alcaloides, y esas requieren oxígeno. Pero hasta hace unos dos mil millones de años, la atmósfera terrestre estaba compuesta principalmente por dióxido de carbono, dióxido de azufre y nitrógeno; solamente algo así como un décimo de uno por ciento era oxígeno. Los primeros microorganismos derivaron su sustento de los aminoácidos, del sulfuro de hidrógeno, del carbono orgánico y de otras sustancias similares difíciles de conseguir. No solamente era innecesario el oxígeno, sino que era tóxico para la vida orgánica primitiva.

Pero hace unos 2 200 millones de años, tuvo lugar una notable transformación. Las cianobacterias, también conocidas como algas verde-azuladas, aprendieron a realizar la fotosíntesis del oxígeno utilizando luz solar, dióxido de carbono y agua, para producir azúcares y otros carbohidratos, liberando oxígeno como subproducto. Gracias a la abundancia de esas tres sustancias, las cianobacterias medraron, y el oxígeno que produjeron comenzó a llenar los océanos y la atmósfera. Hoy en día, debido a la acción fotosintética tanto de las bacterias como de las plantas, el oxígeno compone aproximadamente un 20 por ciento de la atmósfera terrestre.

'Las cosas cambiaron radicalmente cuando evolucionaron las cianobacterias', dijo Raymond. 'La atmósfera se volvió mortal para todos los microorganismos que andaban por los alrededores en esa época. Pudo haber sido catastrófico para la vida, y las bacterias existentes tuvieron que volver al océano profundo o adaptarse a utilizar el oxígeno'.

Afortunadamente para nosotros, muchos organismos se adaptaron, ya fuera por sí mismos o a través de la transferencia genética horizontal cuando una especie, en efecto, 'roba' un gen y su función molecular de otra. Un ejemplo importante de esto fue la capacidad de la vida primitiva de derivar la energía del oxígeno al 'capturar' bacterias utilizadoras del oxígeno dentro de sus células, que finalmente se convertirían en las mitocondrias (las 'plantas generadoras de energía' de la célula). Esa adaptación puede haber marcado el comienzo de la vida compleja sobre la Tierra. Lo que es más aún, investigaciones recientes sugieren que un abrupto incremento en el oxígeno atmosférico hace unos 50 millones de años fue el impulso evolutivo que permitió a los mamíferos crecer en tamaño y en definitiva dominar al planeta.

La evolución de la complejidad genómica y de los senderos metabólicos durante la historia de la Tierra. No queda claro cuándo evolucionó la fotosíntesis oxigenadora, pero los datos geoquímicos sugieren que hace entre 2,3 y 2,2 miles de millones de años atrás, ya había suficiente oxígeno en la atmósfera como para permitir la formación de una capa de ozono. Ese evento singular parece haber precipitado un aumento masivo en la complejidad genómica y metabólica. Crédito: Science

'El oxígeno es el reactivo altamente energético que necesitamos para convertirnos en organismos complejos multicelulares', dijo Raymond, 'de modo que la vida tal como la conocemos fue impulsada hace unos pocos miles de millones de años por los microbios productores de oxígeno'.

Los nuevos hallazgos podrían implicar también que el oxígeno sería un buen indicio en la búsqueda de vida inteligente en otros lugares del universo. 'Si se puede detectar oxígeno u ozono en la atmósfera', dijo Raymond, 'sería un gran marcador, junto con el agua, para el descubrimiento de un planeta habitable'.

Los descubrimientos de Raymond y Segrè sugieren que podrían ser descubiertos secretos evolutivos adicionales por medio del estudio de las redes metabólicas.

'Volveremos hacia atrás y observaremos la historia evolutiva del desarrollo de las enzimas y de los metabolitos, para ver cómo evolucionó el proceso a lo largo del tiempo', dijo Raymond. 'Hay mucha más información disponible para ser examinada, no solamente con respecto al oxígeno sino también para otras contingencias en la evolución del metabolismo, por ejemplo, cómo han cambiado las redes metabólicas con el correr del tiempo en respuesta a cosas como las vitaminas'.

'La observación de redes que integran información proveniente de muchos organismos diferentes', agregó Segrè, 'podría también resultar crucial para la comprensión de la dinámica y la evolución de muchos ecosistemas complejos, tales como las comunidades microbianas reveladas por la secuenciación meta-genómica'.