Un holocausto bacteriano y el invento de la respiración

Cuando hablamos de los principales retos que debe enfrentar la humanidad del siglo XXI, uno de los más prominentes, por muchos detractores que tenga, es el cambio climático. Este problema colosal se subdivide en una serie de problemas más específicos, entre los que se puede destacar la contaminación atmosférica. Puede que te resulte un problema sin importancia, o al menos sin influencia en tu vida; pero lo cierto es que si vives en una ciudad (algo muy probable a día de hoy) la contaminación atmosférica va a acabar afectando a tu salud. Un ejemplo claro de esto, es que la esperanza de vida media de un controlador de tráfico de las calles de Pekín (o Beijing), es tan solo de 42 años. Es un dato desolador, y aunque es cierto que Pekín es una de las capitales más pobladas del mundo, no es necesario que tu esperanza de vida baje de una forma tan drástica para que te percates de que la contaminación atmosférica es un problema de salud a nivel mundial. Pero este artículo no se va a centrar en la contaminación atmosférica actual, ni siquiera en la acontecida durante la revolución industrial, la contaminación de la que os voy a hablar, data de una época muy anterior, donde no existían los seres humanos, ni siquiera los animales. Os voy a hablar de un hecho que convirtió a la atmósfera en lo que hoy en día conocemos, la contaminación del oxígeno, que ocurrió hace más de 2.000 millones de años y también es conocida como la Gran Oxidación.

Desde hace aproximadamente 2.500 millones de años, hasta hace unos 500 millones de años, tuvo lugar una era geológica (eón) conocida como proterozoico. Aunque el significado de esta era es literalmente: “anterior a la vida” lo cierto es que sí que había organismos vivos, entre los que destacaban las cianobacterias (bacterias fotosintéticas) y las bacterias anaerobias (bacterias que no necesitan oxígeno para su metabolismo e incluso a alguna de ellas puede resultarles tóxico). Todos los organismos que pueblan este planeta están constituidos por materia orgánica cuyos elementos químicos principales son el carbono (C) el oxígeno (O) y el hidrógeno (H). Por ello, las bacterias ancestrales requerían de estos elementos para poder subsistir. Las bacterias fotosintéticas, utilizaban como fuente de C el CO2 de la atmósfera, lo que hizo que sus niveles fueran muy reducidos. Sin embargo, el hidrógeno (expulsado por los volcanes), el elemento más ligero de la tabla periódica, tendía a escaparse hacia el espacio. Debido a ello, las extensas comunidades de bacterias fotosintéticas no disponían del hidrógeno suficiente para satisfacer sus necesidades metabólicas. No obstante, la Tierra ya disponía entonces de una fuente muy abundante de este elemento, y seguro que al lector se le ha ocurrido, ya que si no es versado en la materia, es muy probable que sea de las pocas fórmulas químicas que retiene en la memoria; estoy hablando del H2O, el agua. Los primeros organismos que resolvieron el problema de la escasez de H fueron unas bacterias azuladas, que representan los antepasados de las modernas cianobacterias.

Cianobacteria filamentosa del género Lyngbya (Fuente: Wikipedia)

Estos antepasados de las cianobacterias utilizaban como fuente de H el sulfuro de hidrógeno (H2S) proveniente de los volcanes, pero como su población creció alarmantemente, este recurso comenzó a escasear. Por ello, algunas de estas bacterias, como ya disponían en su genoma de la información necesaria para sintetizar las proteínas encargadas de la fotosíntesis (principalmente la cadena transportadora de electrones), sufrieron una duplicación de esta información genética, generando un segundo centro de reacciones fotosintéticas. En este segundo centro se absorbe luz de longitudes de onda menores que el primero, y por lo tanto absorben luz con mayor energía, que podría descomponer el agua en el H y el O que la comprenden. Este hidrógeno era rápidamente atrapado y combinado con el carbono dióxido para fabricar nutritivas sustancias orgánicas como los azúcares o los lípidos. Al mismo tiempo, se producía un desecho en este proceso, el oxígeno. La evolución había desarrollado la fotosíntesis oxigénica.

Este nuevo sistema doble de fotosíntesis, permitía obtener mayores cantidades de ATP (molécula energética) y utilizaba como recurso un bien muy abundante en la Tierra, por lo que pronto las cianobacterias cosecharon un éxito sin precedentes. Eran capaces de crecer en cualquier parte que hubiese agua y luz. Esta impresionante colonización hizo que haya donde aparecían las cianobacterias, se multiplicará el tóxico residuo que emitían, el O2. Esta molécula representaba un peligro inmediato para estas colonias de cianobacterias, y para todos aquellos seres vivos primigenios que entrasen en contacto con ella. Su peligrosidad radica en que es capaz de reaccionar con la materia orgánica atrapando electrones y produciendo radicales libres que son sustancias muy reactivas y pueden destruir los compuestos orgánicos. De hecho, estas especies también son tóxicas para nosotros y por ello debemos incluir en nuestra dieta alimentos ricos en antioxidantes que nos permitan neutralizarlas. Inicialmente, la biosfera fue capaz de absorber esta contaminación de oxígeno, ya que este al ser muy reactivo, tendía a reaccionar con muchos otros elementos ( presentes en rocas, metales, otros gases de la atmósfera…), por no hablar de que la variación de la concentración de oxígeno era estacional; sería más abundante en verano con mayor radiación para la fotosíntesis, que en invierno. Esta posible fotosíntesis estacional originaría lo que se conoce como BIF, o formación de hierro en bandas por sus siglas en inglés, ya que al mostrar unos niveles de fotosíntesis superiores en verano, habría más oxígeno en esta estación, lo cual al combinarse con el hierro generaría hematita (mayor grado de oxidación); mientras que en invierno con menores niveles de fotosíntesis, y por lo tanto de oxígeno, se produciría magnetita (menor grado de oxidación) al combinarse con el hierro.

Roca con formaciones bandeadas de hierro (BIF) de 2.100 millones de años (Fuente: Wikipedia)

Durante las siguientes decenas de millones de años, el exceso de oxígeno fue absorbido por los compuestos metálicos, las rocas, los gases reducidos de la atmósfera y los organismos vivos. Aun así, este oxígeno comenzó a acumularse en la atmósfera exterminando a multitud de poblaciones bacterianas y permitiendo que la evolución desarrollará numerosas adaptaciones y mecanismos protectores; ya que aunque la evolución no busca, encuentra. Aunque en la actualidad la gente esté preocupada por el aumento de la concentración de CO2 desde unas 300 ppm a las 420 ppm actuales, lo cierto es que el aumento de la concentración de O2 fue mucho más drástico, ya que pasó de un 0,0001% al 21%, lo que representaría la crisis de contaminación más importante que ha sufrido la Tierra en su historia. Debido a este colosal aumento de concentración, las nuevas bacterias resistentes comenzaron a reemplazar a las que mostraban una mayor sensibilidad hacia el oxígeno y, a partir de este holocausto bacteriano, se desarrollaron algunas de las más importantes y más espectaculares evoluciones de la historia de los seres vivos. Entre estas, la más sorprendente fue la que sufrieron las cianobacterias, ya que desarrollaron un metabolismo capaz de emplear la misma sustancia que hasta entonces había sido un potente veneno para ellas. La respiración aeróbica sin la cual ni tú ni yo existiríamos.

La respiración aeróbica es en esencia la combustión controlada de moléculas orgánicas empleando oxígeno y produciendo CO2 y agua (como en cualquier combustión de materia orgánica), además de una gran cantidad de energía. Mientras que las plantas que conocemos son capaces de realizar la fotosíntesis y la respiración de forma simultánea, ya que la realizan en espacios separados en el interior de la célula (cloroplastos y mitocondrias respectivamente); algunas cianobacterias solo respiran en la oscuridad, ya que en cuanto a organismos procariotas, carecen de compartimentos (orgánulos) en el interior celular, y emplean para ambos procesos metabólicos la misma maquinaria. Este metabolismo dual, la fotosíntesis productora de oxígeno y la respiración que lo necesitaba, convirtió a las cianobacterias en uno de los microorganismos mejor adaptados del planeta, lo que les permitió ocupar medios ambientes extremos. Desde las aguas marinas más frías, hasta los manantiales de aguas termales, por todos lo lugares que puedas imaginar aparecían las colonias de estas bacterias.

Debido a esta proliferación sin comparación, el nivel de oxígeno creció drásticamente hasta alcanzar un equilibrio perfecto en el 21% actual. Este valor es el idóneo, concentraciones superiores podrían provocar que los organismos vivos ardieran de forma espontánea, incluso las húmedas selvas tropicales son muy inflamables con bajos niveles de agua. Si por el contrario, el oxígeno tuviese una concentración inferior, los organismos aeróbicos empezarían a asfixiarse. No obstante he de decir que no existe un consenso científico sobre si la concentración de oxígeno fue superior en épocas pasadas ya que se cree que pudo alcanzar unos valores de entre el 25% y el 35%; sin embargo, eso será tema para otro artículo y por lo tanto, para otro libro.

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