Este es el cuarto episodio de la serie Las Manos Invisibles de la Evolución. Después de cubrir los organismos multicelulares, ahora nos centramos sobre las asociaciones entre organismos diferentes.
Contexto
En episodios anteriores hemos descrito la emergencia de la vida, la formación de colonias y la evolución de los organismos multicelulares.
Cabría ahora preguntarse si pudieron surgir asociaciones entre organismos diferentes para responder colectivamente al reto de sobrevivir frente a la competencia, las condiciones limitantes y los cambios en el entorno. En este artículo nos centraremos sobre esta fórmula: el Consorcio.
Los primeros organismos, sucesores de LUCA, surgidos en un entorno rico en compuestos orgánicos y temperaturas cálidas, parecidas a la imagen izquierda, tenían genomas y metabolismos aún rudimentarios. Pero a medida que se fueron reproduciendo, ese éxito se tradujo en el consumo de los nutrientes y la probable acumulación de los productos de desecho. Ante ese cambio, la asociación entre diferentes tipos de organismos pudo permitir que se complementasen sus capacidades, para hacer frente a la nueva situación.
Pongamos por caso que un organismo capaz de degradar proteínas en aminoácidos no estuviese adaptado para sobrevivir en un medio ácido y otro organismo contase con la capacidad de neutralizar ese medio, pero careciendo de la capacidad para degradar proteínas. Asociándose, ambos podrían sobrevivir juntos en un medio ácido rico en proteínas, porque el primero las degradaría, mientras que el segundo se ocuparía de neutralizar el medio ácido y ambos consumirían los aminoácidos. Cuantas más características complementarias entre estos dos organismos, mayor sería el beneficio que les reportaría el consorcio. Este tipo interacción seguramente existió desde las primeras etapas de la vida en el planeta y se mantiene hoy como uno de los grandes pilares de la vida, alcanzado altísimos niveles de sofisticación. Empezaremos por un ejemplo muy ilustrativo: el Kéfir.
El Kéfir
Los humanos hemos recurrido a procesos microbianos como la fermentación láctica para convertir la leche en un producto nutritivo, con un bajo contenido en lactosa (cuya digestión puede presentar problemas en adultos) y mejores características de conservación. El yogur y el queso, entre muchos otros, son ejemplos que todos conocemos.
El Kéfir es un producto proveniente del Cáucaso que se conoce desde hace al menos 2000
años. La característica que lo distingue de otros es que el agente que realiza la fermentación es un consorcio de unos 60 microorganismos distintos: el grano de Kéfir (Imagen derecha).
Un reputado grupo internacional publicó un trabajo en 2021 sobre las relaciones entre los socios en un grano de Kéfir, revelando las claves de su funcionamiento. La composición de microorganismos dentro del grano se mantiene constante durante la fermentación. Las transformaciones ocurren en el medio líquido exterior donde los distintos miembros del consorcio realizan las transformaciones de manera ordenada, que los investigadores separaron en cuatro etapas. En una primera fase, un primer grupo hidroliza la lactosa y produce ácido láctico, entre otros procesos. En sucesivas etapas, distintos miembros se ocuparán de consumir el ácido láctico, completar la hidrólisis de distintas proteínas y péptidos y consumir los lípidos. Estos procesos van acompañados de crecimiento y los nuevos microorganismos se pueden adherir al grano primario o generar nuevos granos a medida que aumenta su población. En resumen, según la fase en la que se encuentre la fermentación de 7 a 12 días, la composición de la fase líquida variará a medida que distintos miembros del consorcio intervienen en el proceso.
Ante un número tan alto de participantes, cabe hacerse la pregunta de si hay alguna relación de competencia o antagonismo entre miembros de la comunidad. Los investigadores comprobaron que, en efecto, existen. Pero sorprendentemente, las relaciones cambian según la fase en la que se encuentra el cultivo. Dos organismos pueden competir en una de las fases de la fermentación, pero complementarse en otra. Esta información nos revela que, a pesar haber perdedores y ganadores en fases puntuales, el balance global de las interacciones es positivo para todos los miembros del consorcio.
La importancia de la estructura en el grano de Kéfir radica en que asegura que todos los miembros estén presentes. Así, en el caso de exponerse a la leche fresca de nuevo, se asegura la replicabilidad del proceso.
Curiosamente, el miembro más abundante en el grano, Lactobacillus kefiranofaciens, es uno
de los menos adaptados para crecer en leche fresca y se beneficia del procesado que realizan otros. ¡Pero este miembro aporta el polímero (kefiran) que aglutina el consorcio!
El grano de Kéfir es capaz de adaptarse a leches de distintos orígenes y calidades, precisamente porque la biodiversidad del consorcio le dota de las capacidades para ello, al contrario que los organismos que actúan en solitario.
Incluyo una imagen (Izqierda) sólo como muestra de la complejidad de las relaciones entre los miembros del consorcio. Se puede ver que se han identificado cinco distintos tipos de relación entre organismos (ver el código de colores). El artículo original es árido para los no especialistas. Pero este resumen corto refleja de manera más asequible las conclusiones del trabajo. Algo más elaborado se puede encontrar aquí.
Consorcios del Suelo
Los primeros organismos que colonizaron el suelo hacen unos 500 millones de años se enfrentaron a un reto múltiple: el riesgo de la desecación, niveles de radiación solar elevados y tener que extraer microelementos de un sustrato mineral, entre otros. Este salto monumental no se abordó en solitario, sino por un consorcio. Frente a la desecación, se generaron hidrogeles capaces de retener más de 300 veces su peso seco en agua. La radiación se aprovechó para obtener energía a través de la fotosíntesis y la disponibilidad de sustancias orgánicas se resolvió mediante la fijación del CO2 de la atmósfera y posterior síntesis de azúcares. El nitrógeno antes disponible en forma de aminoácidos y ácidos nucleicos se fijó directamente de la atmósfera por parte de los antecesores de las cianobacterias. Finalmente, los microelementos se pudieron extraer de sales minerales por parte de bacterias especializadas. Cada una de estas aportaciones no hubiese servido por para colonizar el suelo, pero la acción compartida de todas ellas superó todas las barreras.
La versión moderna de aquel primer consorcio se encuentra en las costras biológicas del suelo.
Comunidades presentes en lugares inhóspitos, desde la superficie de los desiertos (Imagen derecha) hasta los pedregales de la Antártida sobreviven en condiciones extremas y acondicionan el suelo para las primeras plantas. A partir de ese paso, el suelo va acumulando materia orgánica y aparecen otros actores como las lombrices, los nemátodos y pequeños insectos. El número de especies contenidas en un gramo de suelo fértil puede rondar las 80.000 y más individuos que la población humana en todo el planeta. Más de tres cuartas partes de las especies de organismos presentes en el suelo no han sido descritas.
Comprender el funcionamiento de estas comunidades tan estrechamente relacionadas y antiguas es uno de los retos más complejos de la biología moderna. Podremos catalogar a sus miembros mediante técnicas genómicas, y los productos que generan mediante la metabolómica, como si se tratase de piezas de relojería. La frontera en este momento se sitúa en desvelar los mecanismos que impulsan de estos complejos sistemas.
Y además de complejos, sabemos que son vulnerables, porque cuando los perturbamos, su recuperación es relativamente lenta (hasta varios años en el caso de los desiertos, por ejemplo).
La imagen de la izquierda ilustra una costra de suelo de clima moderado, con bacterias y hongos en el subsuelo, cubiertos por plantas hepáticas, musgos y líquenes, que cubren la superficie y la protegen de la desecación. Abajo, se muestra un corte de costra de suelo desértico, que puede tardar en formarse varios años y protege al suelo subyacente de erosión y desecación.
Conclusión
En episodios anteriores hemos presentado la competición como un potente factor en la evolución. Hemos pasado de puntillas por la depredación y el parasitismo también. Podemos considerar a estos tres procesos como pruebas para seleccionar las formas de vida mejor adaptadas a una situación. Por otro lado, se encuentran las distintas formas de asociación en colonias, multicelularidad y los consorcios, como recursos que permiten superar esas pruebas compartiendo capacidades.
Lo que hemos aprendido con el grano de Kéfir es que ninguno de estos procesos puede tener preeminencia en la evolución o aportar valor por sí solo. Es el conjunto de estos procesos lo que impulsa la evolución. Además, un proceso selectivo, como la competición, puede observarse transitoriamente entre dos especies que en otro contexto colaboran. Por tanto, la falta de equilibrio entre procesos resulta en la “extinción”, un destino un tanto extremo. En próximas entradas haremos referencia sobre esto.
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