Sociedad

Algas, las muñecas rusas de la evolución

No inventaron la fotosíntesis, pero son las que más han experimentado con ella. No las unen lazos de sangre, sino una sencilla idea: explorar cómo utilizar ese curioso recurso, la luz del sol.

Imágenes de tres algas de tres linajes diferentes: un alga roja, un alga verde y un alga marrón.
Tres de los linajes más importantes de algas. Arriba a la izquierda, un alga roja del género Ceramium. Debajo de ella, Rhipocephalus phoenix, un alga verde que se fabrica un frágil “esqueleto” de carbonato de calcio. A la derecha un kelp gigante, un tipo de alga marrón que puede formar inmensos bosques cerca de la costa en latitudes templadas. FOTO: Ivan Bachev / James St. John / Stef Maruch (Wikimedia)

Cuando pensamos en algas seguramente nos viene a la cabeza algo del tipo “esas plantas blandas que viven en el agua”. Y, sin embargo, nosotros mismos sabemos que esa definición es imprecisa: los nenúfares, por ejemplo, viven en el agua y son tan plantas como un geranio. También sabemos (quizá por experiencia) que algunas algas son bastante duras. Y esto igual no nos suena tanto, pero hay algas que viven en tierra (aunque pocas, eso sí). Así pues, vamos a tratar de afinar un poco nuestra idea de qué es un alga y qué las diferencia de las plantas.

La segunda pregunta es más fácil que la primera: las plantas son algas. Son una forma muy evolucionada de algas verdes, las descendientes de un grupo que se aventuró fuera del agua hace ahora unos 500 millones de años. Creemos que este grupo no fue el primero que trató de colonizar la tierra, pero hicieron algo que los anteriores no habían sabido hacer y se comieron todo el pastel. En poco tiempo conquistaron casi todos los ámbitos de la tierra y cambiaron para siempre el aspecto de nuestro planeta.

Así pues, las algas son un grupo más grande que las plantas. ¿Qué las caracteriza? Esencialmente, haber incorporado dentro de sus células a otros organismos que les permiten hacer la fotosíntesis. La historia de cómo consiguieron hacer esto es la que convierte a las algas en uno de los grupos más disparatados y fascinantes del árbol de la vida, pero para contarla hemos de dar primero un paso atrás.

Domesticando la luz del sol

Todo empezó con las bacterias, que es como suelen empezar las buenas historias. El mundo era joven y la vida no tenía tantos recursos como ahora. La pregunta del momento era “¿de dónde puedo sacar la energía para seguir con vida?”. Unos cuantos grupos habían aprendido a hacerlo a partir de sustancias químicas que se podían encontrar en los lugares apropiados: azufre, hierro e hidrógeno eran probablemente algunas de las opciones más populares. Otros grupos, en cambio, estaban explotando otra fuente de energía: la luz del sol. La fotosíntesis había nacido.

Estas primeras fotosíntesis, sin embargo, probablemente se parecían poco a lo que tenemos en mente: no producían oxígeno, sino que incorporaban la energía del sol para acelerar esas reacciones químicas que involucraban al azufre o al hidrógeno. Hay muchos detalles que no conocemos sobre estas primeras etapas de la historia de la vida, pero parece claro que las bacterias dedicaron millones de años a experimentar con la química y con la luz del sol.

Bacterias fotosintéticas modernas, del género Cylindrospermum, que forman filamentos cuyas células se comunican entre sí y comparten algunos nutrientes. Se puede apreciar en ellas el tono verduzco que identificamos con fotosíntesis y las plantas, aunque la mayoría de estas bacterias no usan clorofila, sino otros pigmentos que juegan un papel similar.
Bacterias fotosintéticas modernas, del género Cylindrospermum, que forman filamentos cuyas células se comunican entre sí y comparten algunos nutrientes. Se puede apreciar en ellas el tono verduzco que identificamos con fotosíntesis y las plantas, aunque la mayoría de estas bacterias no usan clorofila, sino otros pigmentos que juegan un papel similar. FOTO: Willem van Aken (CSIRO)

A lo largo de este proceso, un grupo de bacterias tuvo una idea que cambiaría el mundo: usar la luz del sol para partir las moléculas de agua. El hidrógeno resultante se incorporaba a alguna de las moléculas que las bacterias usaban habitualmente, el oxígeno se descartaba porque no tenían uso para él, y dos electrones que sobraban servían como “gasolina” para la maquinaria celular. Éste es el punto clave de la fotosíntesis productora de oxígeno, que es la que conocemos de toda la vida. El grupo que realizó este descubrimiento es el antepasado de las modernas cianobacterias, que todavía son muy abundantes a día de hoy.

Pero las bacterias, por muy fotosintéticas que sean, todavía no son algas. Para eso necesitamos ir un paso más adelante.

Depredador y presa

Durante cientos de millones de años, seres como las bacterias, con células pequeñas y relativamente sencillas, dominaron el panorama biológico de la Tierra. Pero eso estaba destinado a cambiar. En un momento que no sabemos precisar bien, pero que quizá se sitúa hace 2000 millones de años, apareció un nuevo linaje. Tenían células más grandes, y habían adquirido la capacidad de deformarlas, de manera que podían crear “brazos”, “bocas” y, llegado el momento, estaban preparados para convertirse en depredadores. Este nuevo linaje se convertiría en lo que hoy conocemos como eucariotas.

En este diagrama vemos cómo una ameba moderna “se come” a una bacteria, la digiere y después expulsa todo lo que no puede aprovechar. Probablemente este proceso no sería exactamente así en los primeros eucariotas, pero esta capacidad de “absorber” a otros seres se convertiría en uno de los rasgos distintivos de este grupo.
En este diagrama vemos cómo una ameba moderna “se come” a una bacteria, la digiere y después expulsa todo lo que no puede aprovechar. Probablemente este proceso no sería exactamente así en los primeros eucariotas, pero esta capacidad de “absorber” a otros seres se convertiría en uno de los rasgos distintivos de este grupo. FOTO: Miklos (Wikimedia)

Los primeros eucariotas no tardaron en encontrarse con estas bacterias que estaban haciendo cosas tan interesantes, y su primer pensamiento fue claro: vamos a comérnoslas. Ésta fue probablemente la dinámica durante muchas generaciones, y seguramente las bacterias no se quedaron de brazos cruzados: tratarían de desarrollar armas químicas para evitar que se las zamparan, o tal vez para envenenar a su depredador antes de que lograran digerirlas. Esa carrera evolutiva, que con toda seguridad ocurrió, está hoy muy emborronada por las brumas de la historia.

Lo que nos interesa hoy para nuestra historia es que ese proceso de “comer y digerir” no siempre salía bien. Fuese porque las bacterias tenían defensas o porque el proceso de digestión no era el adecuado para todas las especies, es probable que algunas bacterias aguantaran bastante tiempo en el interior de la célula depredadora. Y en este punto algunas células empezaron a notar una diferencia: resulta que si se comían a una de estas bacterias fotosintéticas, mientras la bacteria estaba viva producía oxígeno, que ellas necesitaban para respirar. Incluso a veces producía azúcares, que eran el resultado de la fotosíntesis, y la célula depredadora se los podía comer. Algunos depredadores, en definitiva, empezaron a ver como una ventaja mantener con vida a su presa.

El resultado de este proceso estaba cantado: un grupo de esas células depredadoras encontró la manera de mantener a sus presas con vida permanentemente. Esencialmente, las incorporaron a sus células: aprendieron a darles la comida que necesitaban, el entorno apropiado para que llevaran a cabo su ciclo de vida y una exposición suficiente a la luz del sol. Las bacterias, por su parte, aprendieron a darle a la célula eucariota los azúcares que tanto apreciaba, y ganaron en seguridad y confort: ahora ya no habían de preocuparse por los depredadores, eso quedaba en manos de su poderoso anfitrión. Con este acuerdo entre caballeros, la primera alga había nacido.

Algas verdes y algas rojas

No estamos muy seguros de cómo eran esas primeras algas, porque por desgracia no tenemos prácticamente fósiles de esa época. Probablemente se parecían bastante a una “célula con una bacteria dentro”, pero sí sabemos que con el paso del tiempo la relación entre la célula anfitriona y la bacteria se fue sofisticando: la bacteria fue perdiendo genes, y delegó parte de sus funciones en la célula anfitriona, que incluso incorporó algunos de los genes de la bacteria en su genoma. La estructura celular de la bacteria se fue simplificando, porque al vivir en un entorno tan controlado no necesitaba muchos de los mecanismos que sí necesita un organismo libre. La bacteria se fue transformando, poco a poco, en lo que hoy llamamos un cloroplasto, cada vez menos parecido a un organismo y más parecido a un órgano.

Podemos adivinar cosas sobre aquella bacteria inicial mirando los cloroplastos de las algas y las plantas actuales. Vemos, por ejemplo, que el cloroplasto tiene dos membranas a su alrededor, como las modernas cianobacterias. En un linaje de algas, las glaucófitas, se puede apreciar entre las dos membranas una capa de proteínas que probablemente es un remanente de la pared celular que vemos aún en la mayoría de las bacterias actuales.

A partir de este punto inicial, las algas empezaron a diversificarse. Se formaron dos linajes principales, ambos con más de 1000 millones de años de historia: las algas verdes y las algas rojas. El más antiguo es probablemente el de las rojas, del que se han descubierto ejemplares fosilizados de 1600 millones de años de antigüedad. Observamos en ellas, además, que sus cloroplastos tienen una estructura interna más sencilla, y utilizan pigmentos similares a los de las bacterias, que les dan su distintivo color rojizo. Son uno de los linajes más antiguos de eucariotas, y posiblemente fueron las primeras que formaron organismos pluricelulares.

Las algas verdes, por su parte, son un grupo en el que observamos muchas innovaciones: sus cloroplastos tienen una estructura interna más compleja, que los hace más eficientes que los de las algas rojas, y contienen grandes cantidades de clorofila, que les da su color distintivo. Las algas verdes dominaron los mares de la Tierra entre hace 500 y 100 millones de años, tomando el relevo de las cianobacterias, que habían sido hegemónicas hasta ese momento. Durante esa etapa de esplendor, algunas de esas algas se aventuraron en la tierra firme y dieron lugar a las plantas.

Muñecas rusas

Pero la parte más divertida de la historia de las algas aún estaba por llegar. Hasta ahora tenemos varios linajes de algas, todos emparentados con aquel primer grupo que decidió incorporar a las cianobacterias en su célula. Pero si la dinámica de depredador y presa había funcionado una vez, ¿qué evitaba que funcionara otra? Nuevos tiempos trajeron nuevos depredadores, y de la misma forma que las cianobacterias fueron presas deseables, estas dulces algas productoras de azúcar también lo eran.

Estructura simplificada de dos algas: una de origen primario y una de origen secundario. A la izquierda vemos el alga primaria, que es la estructura que encontramos en algas rojas y verdes: la célula tiene un núcleo (N1), otros orgánulos, e incorpora un cloroplasto (1º PL), que es heredero de la cianobacteria inicial. A la derecha vemos un alga secundaria, también con su núcleo (N2), pero ahora con una incorporación más complicada: podemos adivinar la estructura del alga primaria engullida porque se conserva la membrana celular, y en algunos casos incluso se conserva un vestigio del núcleo, al que llamamos nucleomorfo (N1, en esa imagen). Desde luego, también se conserva el cloroplasto (2º PL), que es el botín que el alga secundaria buscaba en primer lugar.
Estructura simplificada de dos algas: una de origen primario y una de origen secundario. A la izquierda vemos el alga primaria, que es la estructura que encontramos en algas rojas y verdes: la célula tiene un núcleo (N1), otros orgánulos, e incorpora un cloroplasto (1º PL), que es heredero de la cianobacteria inicial. A la derecha vemos un alga secundaria, también con su núcleo (N2), pero ahora con una incorporación más complicada: podemos adivinar la estructura del alga primaria engullida porque se conserva la membrana celular, y en algunos casos incluso se conserva un vestigio del núcleo, al que llamamos nucleomorfo (N1, en esa imagen). Desde luego, también se conserva el cloroplasto (2º PL), que es el botín que el alga secundaria buscaba en primer lugar. FOTO: John M. Archibald (Advances in Botanical Research)

De hecho, la historia se vuelve tan complicada en este punto que para contarla en detalle necesitaríamos un libro entero. Un mínimo de ocho grupos de eucariotas decidieron pasar de ser depredadores de algas a incorporar esas algas en su interior, igual que las algas habían hecho con las bacterias. De la misma forma que le pasó a la bacteria, con el paso del tiempo el alga “engullida” se simplificó, y delegó en la célula principal muchas de sus funciones, salvo normalmente la fotosíntesis. Así que nos encontramos con varios linajes de eucariotas con un “alga en miniatura” en su interior y todo se vuelve un disparate, porque a estos linajes también los llamamos algas. Tenemos algas, y luego tenemos algas dentro de algas. Y muchos científicos creen que esto puede haber pasado múltiples veces, y por lo tanto podemos tener también “algas dentro de algas dentro de algas”. Es como si la naturaleza nos estuviera gastando una broma.

Pero es que esto es lo que la naturaleza hace: explorar todas las posibilidades, y ver si puede sacar algo en claro de ellas. Esta nueva generación de algas, llamadas formalmente “de endosimbiosis secundaria”, estaba destinada a convertirse en uno de los linajes más exitosos dentro de un grupo ya de por sí exitoso. Su variedad es extraordinaria: incluye grupos que se comportan como esperaríamos de un alga, es decir, viviendo esencialmente de la fotosíntesis, pero también otros grupos que son depredadores ocasionales para complementar lo que obtienen con la fotosíntesis. Hay incluso grupos que han perdido la capacidad de hacer la fotosíntesis pero han conservado el cloroplasto, y ahora lo usan para otras cosas.

En este diagrama vemos el árbol familiar de los eucariotas, que incluye las plantas y los animales. A la izquierda, con el nombre formal de Archaeplastida, tenemos el grupo de las algas de primera endosimbiosis, que incluye las algas rojas, las verdes y las plantas. Abajo, en el grupo llamado Opisthokonta, tenemos a los animales y los hongos, que no han intervenido en nuestra historia. El resto de ramas son lo que tradicionalmente se ha denominado “protistas”, y en ellas están resaltadas las ramas en las que algún miembro se ha convertido en alga por endosimbiosis secundaria. Las ramas marcadas en rojo engulleron un alga roja, y las marcadas en verde engulleron un alga verde. Las ramas marcadas con “3º” son sospechosas de haber participado en una endosimbiosis terciaria, engullendo a un alga que había engullido a un alga.
En este diagrama vemos el árbol familiar de los eucariotas, que incluye las plantas y los animales. A la izquierda, con el nombre formal de Archaeplastida, tenemos el grupo de las algas de primera endosimbiosis, que incluye las algas rojas, las verdes y las plantas. Abajo, en el grupo llamado Opisthokonta, tenemos a los animales y los hongos, que no han intervenido en nuestra historia. El resto de ramas son lo que tradicionalmente se ha denominado “protistas”, y en ellas están resaltadas las ramas en las que algún miembro se ha convertido en alga por endosimbiosis secundaria. Las ramas marcadas en rojo engulleron un alga roja, y las marcadas en verde engulleron un alga verde. Las ramas marcadas con “3º” son sospechosas de haber participado en una endosimbiosis terciaria, engullendo a un alga que había engullido a un alga. FOTO: John M. Archibald (Advances in Botanical Research)

El grupo más famoso dentro de estas algas de endosimbiosis secundaria seguramente son las llamadas algas marrones, un grupo muy variado dentro de los estramenópilos que incluye algunas algas pluricelulares muy espectaculares, como el kelp gigante, que forma grandes bosques en muchas costas de regiones templadas y que ha desarrollado sus propios tejidos y patrones de crecimiento, similares a la de muchas plantas pero creados de forma totalmente independiente.

Podríamos seguir hablando de estos grupos de algas y no terminaríamos nunca, pero no podemos acabar sin mencionar a las diatomeas. Son un grupo de algas de endosimbiosis secundaria y exclusivamente unicelulares. Son extraordinariamente importantes porque a partir del periodo Cretácico sustituyeron a las algas verdes como reinas de los mares, y a día de hoy ellas solas generan entre el 20 y el 50% del todo oxígeno del planeta. Además, protegen su pared celular con una carcasa de sílice que cae al fondo cuando el alga muere y forma vastas llanuras de “conchas de alga” que se convierten en rocas y perviven durante millones de años.

Éste es sólo el principio de la increíble historia de las algas. El descubrimiento que hicieron las cianobacterias hace miles de millones de años ha resultado ser tan potente que ha impulsado y sigue impulsando a generaciones de seres vivos, en cuyo interior aún hay un “descendiente” de aquellas bacterias ancestrales. En el mundo de las algas, como en pocos otros, se observa la fabulosa capacidad de la naturaleza para encontrar lo nuevo en cosas que parecen viejas.

QUE NO TE LA CUELEN

  • Las algas no son plantas. Llamamos “plantas” a los descendientes de ciertas algas verdes que decidieron salir del agua hace más de 450 millones de años, en el periodo Ordovícico.
  • Las algas no forman un linaje consistente. Al contrario, hay seres a los que llamamos “algas” en varias ramas del árbol de la vida. Lo que tienen en común todos esos seres es que en algún momento “se comieron” a otro bicho que sabía hacer la fotosíntesis y lo incorporaron a sus propias células.
  • Las cianobacterias, a veces llamadas algas verdeazuladas, no se suelen considerar algas hoy en día, porque son bacterias y sus células son mucho más pequeñas y sencillas. A pesar de eso, ellas son las genuinas inventoras de la fotosíntesis productora de oxígeno.

REFERENCIAS