NeoFronteras

Reconstruyen genoma de hace 3000 millones de años y descubren que se produjo una Explosión Arcaica en la época, consecuencia de una expansión genética, y que esto podrían estar relacionado con el Evento de Gran Oxidación.

No es fácil saber la historia biológica de la Tierra. Lo poco que sabíamos hasta ahora se averiguó gracias a los fósiles que nos legaron las criaturas que vivieron hace millones de años. De este modo, hemos podido reconstruir la flora y fauna del Carbonífero, del Devónico o del Jurásico. Antes de que los primeros seres conquistaran tierra firme ya había una rica variedad de vida en los océanos, vida que ya había desarrollado partes duras como caparazones, dientes, pinzas, etc. La famosa explosión del Cámbrico se caracterizó por una súbita aparición de animales complejos en el registro fósil, hace unos 580 millones de años. Cuando se descubrió Burguess Shale y sus animales de cuerpo blando bellamente conservados resulto ser un regalo excepcional, pues un cuerpo blando sin partes dura raramente deja tras de sí fósiles.
Antes de la explosión del Cámbrico había una fauna de seres de cuerpos blandos, seres cuyos restos fósiles son muy escasos. Esa fauna ediacarense nos habla de un mundo tranquilo poblado por seres pasivos y casi inmóviles. Probablemente la poca abundancia de oxígeno y la ausencia de depredación activa configuraron ese mundo que bajo las leyes de la evolución no podía ir cambiar más deprisa.
Pero la verdad es que entre la aparición de la vida sobre la tierra y la explosión del Cámbrico ignoramos muchas cosas, son miles de millones de años sobre los que sabemos muy poco. Quizás hubo explosiones de vida tan significativas o más que la del Cámbrico que no han dejado huella en el registro fósil.
Pero lo que el registro fósil no nos da quizás nos lo dé el registro genético. La evolución no reconstruye organismos a partir de cero, sino que modifica lo ya existente, sean órganos, apéndices, funciones o los genes que los generan y controlan. Además, cuanto más importante es un gen o grupo de genes más probable que no cambien en el tiempo. De este modo los genes Hox por ejemplo, que controlan el desarrollo embrionario de la mosca de la fruta también controlan la formación del ser humano, aunque sus secuencias sean un poco distintas. Fueron estos genes los que permitieron la aparición de vida compleja sobre la Tierra y, por tanto, la explosión del Cámbrico.
Esos genes y muchos otros están todavía en los genomas de los seres que puebla ahora la Tierra. Como la secuenciación de genomas es cada vez más barata, dentro de poco se podrán secuenciar muchas especies, quizás todas las representativas. Entonces podremos leer los distintos volúmenes de la gran enciclopedia evolutiva y ver el pasado con nuevos ojos por primera vez.
Los primeros pasos en este sentido ya se están dando. El último de ellos ha sido realizado por biólogos computacionales del MIT, investigadores que han tratado de reconstruir el genoma de los microorganismos que había antes del Cámbrico a partir de los genomas modernos. Para ello han combinado la información genética ya disponible sobre diversos genomas (algo en permanente crecimiento) con un modelo matemático que tiene en cuenta los modos en los que los genes evolucionan: nuevos genes pueden aparecer y heredarse, los genes pueden además pasar por transferencia horizontal a otros organismos, los genes pueden duplicarse en el mismo genoma y finalmente los genes pueden perderse para siempre.
Eric Alm y Lawrence David hicieron un seguimiento de miles de genes (4000 familias de genes) de 100 genomas modernos para así saber de aquellos que primero hicieron su aparición en la Tierra. De este modo han creado un “genoma fósil” que no solamente nos dice cuándo aparecieron sus genes, sino además qué microorganismos poseían esos genes. El trabajo sugiere que el genoma colectivo de todas las formas vivas sufrió una expansión hace entre 3300 y 2800 millones de años, expansión durante la cual el 27% de todas las familias de genes existentes actualmente aparecieron por primer vez. Han denominado a este periodo de tiempo la Expansión Arcaica.
Como muchos de estos genes han sido identificados como relacionados con el oxígeno, estos investigadores pensaron que la aparición del oxígeno podría ser la responsable de la Explosión Arcaica. El oxígeno no existía en la atmósfera terrestre en cuantías apreciables hasta hace 2500 millones de años, cuando empezó a acumularse y a matar a grandes cantidades de formas de vida anaeróbicas en el Evento de Gran Oxidación. Este evento fue probablemente el episodio más catastrófico en la historia de la vida celular, aunque no tengamos un registro biológico de él.
Pero un análisis más detallado mostró que los genes relacionados con el oxígeno no aparecieron hasta el final de la Expansión Arcaica, hace 2800 millones de años, que es más consistente con los datos geoquímicos disponibles relacionados con el Evento de Gran Oxidación.
Alm y David creen haber detectado el nacimiento de la moderna cadena de transporte de electrones, el proceso bioquímico responsable de lanzar los electrones a través de las membranas celulares. Todos los organismos que respiran oxígeno usan la cadena de transporte de electrones para hacerlo. Y las plantas y algunos microorganismos la usan durante la fotosíntesis cuando recolectan la energía del Sol. Se cree que una forma de fotosíntesis denominada fotosíntesis oxigénica es la responsable de la generación del oxígeno durante el Evento de Gran Oxidación y, en definitiva, del oxígeno que respiramos hoy en día.
La evolución de la cadena de transporte de electrones podría haber facilitado varios pasos clave en la historia de la vida, incluyendo la fotosíntesis y la respiración. Ambos podrían haber posibilitado una mayor recolección y almacenamiento de energía en la biosfera.
Aunque estos investigadores no se atreven a afirmar que la cadena de transporte de electrones fuera la causa directa del Evento de Gran Oxidación, especulan con que el haber tenido acceso a una cantidad de energía mucho más grande permitió a la biosfera hospedar grandes ecosistemas microbianos más complejos.
Para saber cómo evolucionaron los genomas después de la Expansión Arcaica se pueden analizar los metales y moléculas asociadas con los genes y cómo cambia su abundancia en el tiempo. Encontraron un aumento del porcentaje de genes relacionados con el oxígeno y las enzimas asociadas con cobre y molibdeno, algo que es consistente con la evolución del registro geológico.
Según otros expertos, Alm y David han integrado genómica y filogénia de una manera innovadora, arrojando luz sobre la evolución de las primeras formas de vida, pintando un escenario para la evolución metabólica consistente con los registros geológicos.
“Lo que es realmente notable de nuestros hallazgos es que muestran que la historia de eventos remotos esta grabada en el ADN que comparten los organismos vivos”, dice Alm. “Y ahora que hemos empezado a comprender cómo descodificar esa historia, espero que podamos reconstruir algunos de los eventos más tempranos en la evolución de la vida en gran detalle”, añade.

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Fuentes y referencias:


Ilustración: Field Museum