William Blake pudo haber visto un mundo en un grano de arena, pero para los científicos del MIT, la más pequeña de todas las bacterias fotosintéticas contiene pistas sobre la evolución de ecosistemas enteros, y quizás incluso toda la biosfera.

La clave es una pequeña bacteria llamada Prochlorococcus, que es la forma de vida fotosintética más abundante en los océanos. Una nueva investigación muestra que el metabolismo de esta diminuta criatura ha evolucionado de una manera que puede haber ayudado a desencadenar el surgimiento de otros organismos. para formar un ecosistema marino más complejo. Su evolución incluso pudo haber ayudado a impulsar cambios globales que hicieron posible el desarrollo de los organismos más complejos de la Tierra.

La investigación también sugiere que la coevolución de Prochlorococcus y sus coorganismos interdependientes puede verse como un microcosmos de los procesos metabólicos que tienen lugar dentro de las células de organismos mucho más complejos.

El nuevo análisis se publica esta semana en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , en un artículo del postdoctorado Rogier Braakman, El profesor Michael sigue, y la profesora del Instituto Sallie (Penny) Chisholm, quien formó parte del equipo que descubrió este pequeño organismo y su enorme influencia.

"Tenemos todas estas cepas diferentes que se han aislado de todos los océanos del mundo, que tienen diferentes genomas y diferente capacidad genética, pero todos son una especie según las medidas tradicionales, "Explica Chisholm." Así que existe esta extraordinaria diversidad genética dentro de esta única especie que le permite dominar franjas tan vastas de los océanos de la Tierra ".

Debido a que Prochlorococcus es tan abundante y tan bien estudiado, Braakman dice que era un tema ideal para tratar de averiguar "dentro de toda esta diversidad, ¿Cómo cambian las redes metabólicas? ¿Qué impulsa eso? y ¿cuáles son las consecuencias de eso? "

Encontraron una gran cantidad de variación en la "red metabólica de las bacterias, "que se refiere a las formas en que los materiales y la energía entran y salen del organismo, a lo largo de su filogenia. El hecho de que se hayan producido cambios tan significativos en el transcurso de la evolución de Prochlorococcus "te dice algo bastante dramático, " él dice, porque estos procesos metabólicos son tan fundamentales para la supervivencia del organismo que "es como el motor del sistema. Así que imagina intentar cambiar el motor de tu coche mientras conduces. No es fácil de hacer, así que si algo está cambiando, te está diciendo algo importante ".

Las variaciones forman una especie de estructura en capas, con variantes más ancestrales que viven más profundamente en la columna de agua y variantes más recientes que viven cerca de la superficie. El equipo descubrió que cuando Prochlorococcus comenzó a vivir en las capas superiores del océano, donde la luz es abundante pero la comida es relativamente escasa, desarrolló una tasa de metabolismo cada vez más alta. Tomó más energía solar y la utilizó para impulsar una absorción más fuerte de los escasos nutrientes del agua; de hecho, creando una aspiradora más potente pero en el proceso también generando más residuos, Dice Braakman.

A medida que las variantes más nuevas aspiraban nutrientes en las capas superficiales, Los tipos más ancestrales tuvieron que descender a mayores profundidades donde los niveles de nutrientes se mantuvieron más altos, dando como resultado en última instancia la estructura en capas que se ve hoy.

Los compuestos de carbono que componen los desechos de Prochlorococcus, a su vez, proporcionaron nutrientes que impulsaron la evolución de otro tipo de bacteria. conocido como SAR11, cuyos propios productos de desecho fueron útiles para Prochlorococcus, conformando así un sistema cooperativo que benefició a ambos organismos. El reciclaje mutuo de residuos refuerza la maximización colectiva de la tasa metabólica. "Parece que el sistema está evolucionando para maximizar el rendimiento total" de energía, no solo el de los organismos individuales, Dice Braakman.

"A medida que optimizan su capacidad para adquirir nutrientes, las células producen más carbono orgánico y terminan promoviendo mayores niveles de mutualismo, "Sigue añade.

Que interdependiente La relación de cooperación es muy similar a la relación entre mitocondrias y cloroplastos, los dos tipos de subunidades que proporcionan la energía dentro de las células de todas las formas de vida vegetal, Dice Braakman. Los cloroplastos recolectan energía de la luz solar y la usan para formar compuestos químicos que transfieren energía a las mitocondrias. que a su vez puede liberar y transferir carbono y energía de regreso a los cloroplastos y al resto de la célula, a través de vías muy similares a las utilizadas por Prochlorococcus y SAR11.

Otras características de los dos sistemas también son muy similares, incluyendo sus pigmentos fotosintéticos y cómo lidian con la desintoxicación del peróxido de hidrógeno. Esto sugiere que los procesos evolutivos paralelos produjeron el mismo resultado en entornos muy diferentes. "Las células vegetales realmente parecen ecosistemas microbianos oceánicos microscópicos, " el explica.

En parte debido a esos paralelos, Braakman dice que esta dinámica podría potencialmente describir la evolución de la biosfera de manera más general. Sugiere que las descripciones matemáticas de la evolución de Prochlorococcus, que él y Follows desarrollaron juntos, surgen de los principios básicos de cinética y termodinámica y, por lo tanto, también podrían proporcionar algunas ideas sobre otros sistemas. "Podría ser un tipo de dinámica universal, " él dice.

"Este marco también puede ayudarnos a modelar las interacciones de la vida, luz del sol, y la química oceánica a escala oceánica, "Sigue dice.

La evolución metabólica de Prochlorococcus puede haber tenido otro efecto importante:a través de un ciclo geoquímico complejo que involucra los compuestos de carbono producidos por el microbio y sus interacciones con el hierro, las bacterias pueden haber contribuido a un aumento significativo del oxígeno en la atmósfera de la Tierra hace alrededor de 500 millones de años, desde niveles muy bajos hasta niveles casi modernos. Se cree que este importante aumento de oxígeno ha desencadenado una rápida explosión de nuevas especies, también conocida como explosión cámbrica. que vio el nacimiento de la mayoría de los principales filos animales.

Lo que sugiere este análisis, él dice, "es lo que parece un proceso evolutivo direccional, que avanza constantemente hacia una dirección en la que aumenta el flujo de energía a través del sistema. Una de las consecuencias de eso es que luego el oxígeno terminó subiendo a la atmósfera, y la complejidad del ecosistema aumentó ".

Mucha teoría de la evolución enfatiza la competencia, Braakman dice:donde "hay recursos limitados y todos estamos luchando por ellos. Pero lo que dice esta dinámica evolutiva es que es una forma de aumentar los recursos para todo el sistema, para que todos estén mejor. Aumenta los recursos totales del sistema ".

Este trabajo, Chisholm dice:demuestra que "realmente hay que pensar en la evolución en todas estas escalas, para entenderlo. No se trata solo de un montón de genes egoístas dando vueltas. Si quieres entender la vida en todas sus dimensiones, tienes que mirar los genes, pero también hasta los ecosistemas. Nada de eso tendrá sentido si no lo miras en todas esas escalas ".

La "integración innovadora de la filogenia, fisiología, y la genómica abre nuevas vías para la investigación sobre la evolución del fitoplancton, al mismo tiempo que estimula un nuevo pensamiento sobre la coevolución a largo plazo de la Tierra y la vida, "dice Andrew Knoll, profesor de historia natural en la Universidad de Harvard, que no estaba relacionado con esta investigación.