Este es el segundo de cuatro episodios en la serie Las Manos Invisibles de la Evolución. En él descubriremos las diversas formas de cooperación entre células iguales para formar colonias. De las colonias surgirán los primeros organismos multicelulares.
Contexto
La vida existe en nuestro planeta desde hace unos cuatro mil millones de años. Aunque
seguramente surgieron entonces varias formas prototípicas de vida, sólo una de ellas fue la que perduró y aportó las bases fundamentales de todos los seres conocidos. El acrónimo en inglés de esta primera versión es LUCA (last universal common ancestor). Este primer organismo se constituyó de una sola célula y se especula que surgió en un medio líquido, rico en nutrientes y seguramente templado. A partir de LUCA, habrían emergido sucesivas versiones mejoradas capaces de colonizar diversos entornos acuosos mediante adaptaciones en la absorción de nutrientes y la regulación de las constantes fisiológicas. Nuestra historia comienza aquí.
El inicio de las Interacciones
La proliferación, dispersión y diversificación de los primeros organismos siguió su curso durante al menos tres mil millones de años. A medida que la vida se implantaba en el planeta las moléculas que sustentaron su emergencia se fueron agotando. Ello resultó en un cambio del entorno, abriendo una nueva fase de interacciones entre organismos. Entre los seis tipos de interacción que hoy conocemos nos centraremos en tres: la Competencia, la Depredación y el Mutualismo. La primera supone el acceso a un recurso por parte de un individuo en detrimento de otro, peor adaptado al medio. Se trata de esa fuerza que impulsa la evolución, identificada por Darwin, que presentamos en la entrada anterior. La Depredación supone el consumo de un organismo por parte de otro. El Mutualismo es una interacción en la que ambas partes se benefician, casi siempre a través de un intercambio (cooperación). Aunque no nos meteremos en complejidades aquí, entendemos que, en el complejo entramado de la naturaleza, las interacciones entre organismos pueden tener lugar simultáneamente, sucesivamente, independientemente o como consecuencia de otra interacción.
Biopelículas
Los procesos de agregación para formar unidades multicelulares fue una de las primeras expresiones de mutualismo hace unos mil millones de años. El fenómeno ha tenido lugar independientemente en múltiples ocasiones, siguiendo distintos mecanismos y resultando en diversas formas de vida.
Muchos microbios unicelulares de hoy, tanto procariotas como eucariotas, se agrupan en respuesta a cambios ambientales. La asociación tiene lugar a través de polímeros extracelulares que forman una película capaz de cumplir diversas funciones:
a) Barrera de difusión frente a toxinas de competidores o sustancias tóxicas en un entorno químicamente agresivo.
b) Materia aglutinante que mantiene el agregado celular y facilita la adhesión a un sustrato evitando el arrastre por el medio acuoso.
c) La formación de un cuerpo cuyo tamaño protege a las células de los depredadores.
Estas biopelículas se conocen también como biofilms y su formación es reversible en respuesta a las condiciones externas. La presencia de un número mínimo necesario de
células para que se formen (cuórum) se detecta mediante señales químicas específicas producida por las células y ello desencadena un proceso de respuesta coordinado. A medida que las células proliferan, el polímero las envuelve y mantiene unidas en la película.
Un conocido caso de biofilm es la aparición de películas que parecen vertidos de gasolina en estanques y charcos de agua dulce. En este caso, se trata de biopelículas de cianobacterias (bacterias fotosintéticas) que colonizan la superficie del agua para tener acceso a la luz y el oxígeno del aire, pero a la vez. Impedir que ambos lleguen al agua, favoreciendo así la anaerobiosis bajo la película. El CO2 resultante de ese proceso, sirve de sustrato para formar azúcares.
Colonias
Otra manera de establecer unidades multicelulares es la formación de colonias. Cuando los
microorganismos se reproducen, sobre todo en sustratos sólidos, las células hijas pueden permanecer unidas a sus progenitoras. Después de varias divisiones el número de células crece de manera exponencial, alcanzando miles o millones de células. ¡Esto llega hasta el punto de que podemos ver las colonias a simple vista!
Esta descripción puede llevar a pensar que una colonia no es más que un montón de células juntas. Pero los estudios indican que la colonia es una estructura organizada que aporta muchas ventajas a las células que la conforman. Las células emiten y reciben señales en función de su situación en la colonia y ello permite un cierto nivel de coordinación. La colonia empieza a comportarse como una unidad funcional (un equipo). Como ejemplo, la concentración de oxígeno determina la forma y altura de las rugosidades de las colonias de la bacteria Pseudomonas aeruginosa. Investigadores del MIT descubrieron que la altura (poro no el grosor) de las rugosidades de la colonia cambiaba en función de la concentración de oxígeno en la fase gas. Cuanto menos oxígeno, más altura, para conseguir una mayor superficie de intercambio y accesibilidad de oxígeno para la colonia. Otras investigaciones han mostrado otras respuestas en la misma línea, reunidas en esta revisión.
Pasos hacia una Mayor Integración
Hasta ahora, hemos tratado sobre asociaciones en las cuales las células se agregan, pero aún mantienen su carácter “unicelular”. Existen, sin embargo, maneras de asociarse que son
más comprometidas. Tanto en las bacterias filamentosas como en los hongos, existen colonias en las que las células se dividen, pero no se separan del todo, sino que se mantienen interconectadas físicamente, compartiendo sus contenidos como una sola unidad. Esto no solo permite una mayor coordinación sino el flujo de nutrientes y materiales celulares, empaquetados en vesículas, de un extremo a otro de la colonia. Una grabación muestra el flujo de compartimentos celulares a lo largo de las células (llamadas hifas) de una colonia fúngica. Hay partículas que se trasladan a distintas velocidades y en distintas direcciones. Esto muestra que el nivel de la comunicación es realmente sofisticado: una ventaja diferencial con respecto a las colonias de células individualizadas (ver video).
Por otro lado, las colonias que están organizadas como una unidad funcional abren la puerta
a nuevas maneras de desarrollar al organismo a través de la especialización. Algunas células, como las que se encuentran en la periferia pueden dedicarse a colonizar territorio y obtener nutrientes (ver video). Aquellas células que se encuentran en el interior no pueden realizar esa función, pero están en contacto con el aire. Por tanto, pueden dedicarse a la reproducción
(mediante la producción de esporas que se dispersen por el medio aereo, ver video).
Veamos ahora un ejemplo más dramático de especialización dentro de una colonia. Una seta o un champiñón son superestructuras multicelulares erigidas con el único objetivo de maximizar la dispersión de sus esporas. Bajo cada una de ellas se encuentra una gran colonia que ha recabado y dirigido enormes recursos del suelo para ejecutar un complejo plan de desarrollo: un verdadero monumento a la colaboración entre las células de una colonia!
Del reino de los hongos, pasemos ahora los Protozoos. Los protozoos son organismos compuestos de una sola célula y en ese grupo, las amebas se caracterizan por un modo de vida independiente con la capacidad de formar esporas ante las situaciones adversas. Sin embargo, hay casos muy destacados en los que se generan estructuras multicelulares. Las amebas de Dictyostelium discoideumse pueden encontrar frecuentemente entre la hojarasca en descomposición de bosques y jardines. Se alimentan de bacterias y forman parte del complejo sistema de regeneración del suelo. Pero cuando las condiciones ambientales son adversas, recurren a una estrategia espectacular. Las amebas secretan una molécula de señalización (AMP cíclico) cuyos gradientes de concentración dirigen la migración de las amebas hacia un punto, formando un agregado que puede reunir hasta 100.000 individuos. Este agregado (Pseudoplasmodio) se desplaza como un solo organismo (a modo de una babosa o limaco) en busca de un lugar expuesto al aire, donde se establece. A continuación, empieza a formar un tallo que se erige sobre el suelo soportando una cúpula de células que se convierten en esporas de dispersión aérea. Al igual que en el caso anterior, una parte importante de las células del pseudoplasmodio se sacrifican para que sus pares puedan dispersarse y sobrevivir en un nuevo entorno (ver video).
Conclusión
Hasta este punto, hemos descrito casos de multicelularidad en los que las células dejan de actuar individualmente, sacrificando su forma y modo de vida en beneficio de un plan común. Pero en la gran mayoría de los casos, las propias células pueden volver al modo de vida individual. En el siguiente artículo, daremos un paso más allá en el que las células ya nacen en un entorno multicelular. La posición de cada una predetermina un programa de desarrollo y una función especializadas dentro de un organismo multicelular. Estos ejemplos corresponden a las algas, que dieron lugar a las plantas, y a los primeros animales (metazoos).
Observaciones
La multicelularidad supone un cambio importante e impactante en la evolución, pero en contraste con otros cambios que surgieron a través de un “salto” cualitativo, la evidencia indica que en este caso, la multicelularidad surgió de diversas maneras y como consecuencia de pequeños cambios sucesivos. El artículo The momentous transition to multicellular life may not have been so hard after all trata sobre este tema y viene acompañado por un video.
En este artículo, hemos dejado fuera un tipo de multicelularidad: los cenocitos: células multinucleadas que se observan a menudo en un grupo de organismos llamados mixomicetos. Evolution of multicellularity by collective integration of spatial information trata sobre las características de este tipo de multicelularidad en bastante detalle.
Siguiendo con los mixomicentos, el profesor Mark Fricker muestra un curioso experimento que muestra cómo estos organismos pueden resolver complejos problemas de logística. Can Slime Mould Solve Mazes?
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