Anatomía de los primeros árboles del mundo

Reconstrución artítica de un bosque de cladoxilópsidos del Devónico. Fuente.

Imagina un mundo sin árboles, y luego intenta pensar en los cambios que tendrían que ocurrir para que los primeros árboles evolucionen a partir de las pequeñas plantas primitivas que les precedieron. Se estima que toda esta transición ocurrió hace 390-380 millones de años, en el Devónico Medio.

Un equipo de investigadores chinos del Instituto de Nanjing de Geología y Paleontología ha descubierto varios fósiles perfectamente conservados de los primeros árboles del mundo, los cladoxilópsidos, en una remota región de China. Incluidos en una clase propia, Cladoxylopsida, estos pteridófitos precursores de los actuales helechos y equisetos, que vivieron hace entre 393 millones y 372 millones de años, alcanzaban hasta 12 metros de altura y poseían troncos esbeltos coronados por un penacho de ramas erectas que los asemejaban vagamente a las palmeras modernas. Pero la mayor sorpresa es cómo lograron crecer hasta adoptar el porte arbóreo.

Los árboles actuales crecen en grosor de un modo relativamente simple. El tronco es un solo eje cilíndrico formado por cientos de fibras leñosas huecas que conforman un anillo, el xilema, encargado de conducir el agua desde las raíces hasta las ramas y las hojas. El nuevo xilema crece en anillos en la periferia del tronco justo debajo de la corteza, agregando cada año circunferencias para que el árbol pueda crecer. De esta forma, se originan los característicos anillos de crecimiento que parecen en las secciones transversales de los troncos de los árboles.

Sin embargo, no es así como crecieron los antiguos cladoxilópsidos. A pesar de que estos fósiles se encontraron por primera vez en la década de 1850, la interpretación de su anatomía ha sido muy confusa durante décadas. Pero durante la década de 2000 se tuvieron grandes éxitos en la reconstrucción de cladoxilópsidos devónicos, que culminó en una serie de descubrimientos extraordinarios de árboles completos o casi completos en Escocia, Gilboa, Nueva York y Alemania.

Dos especímenes descubiertos en un desierto en la provincia noroccidental china de Xinjiang en 2012 aparecieron notablemente bien conservados. Eso se debe a que se sometieron a un proceso en el que la sílice, probablemente emitida por un volcán cercano, saturó el árbol y salvaguardó la forma de la estructura interna de la madera a medida que se descomponía, preservando su estructura celular tridimensional.

Las piezas fosilizadas de la base de un árbol de 374 millones de años revelan un núcleo hueco rodeado de numerosos haces de fibras leñosas lde xilema (las manchas negras más grandes), con tejido blando (en gris) en medio. Los puntos negros más pequeños son raíces. Fuente.

Los fósiles revelan que, a diferencia de los árboles modernos con un solo cilindro, los cladoxilópsidos tenían columnas de xilema múltiples espaciadas alrededor del perímetro de un tronco hueco. Una red de fibras entrecruzadas conectaba el xilema vertical extendiéndose por un tejido parenquimático blando que llenaba los espacios entre todos esos filamentos. El crecimiento se lograba añadiendo anillos alrededor de cada una de las columnas de xilema, mientras que el volumen creciente de parénquima obligaba a los filamentos a expandirse.

Ese crecimiento en grosor expandía la circunferencia del tronco y permitía un árbol más alto, pero también dividía el esqueleto del xilema del árbol, lo que requería que el árbol se autorreparara continuamente. El peso del árbol hacía que el tejido en la base del tronco estuviera abultado. En el más grande de los dos troncos fósiles, por encima del abultamiento, el xilema y el tejido blando ocupaban un anillo de unos 50 centímetros de diámetro y 5 centímetros de grosor, al tiempo que unas raíces externas formaban el resto del tronco del árbol que tenía unos 70 centímetros de diámetro.

Esta estrategia de crecimiento no se ha visto en ningún otro árbol en la historia de la Tierra, dice Xu Hong-He, un paleontólogo del Instituto de Nanjing en China que descubrió los troncos de los árboles fosilizados y primer firmante del artículo publicado el pasado 24 de octubre en la revista PNAS en el que se da cuenta del descubrimiento. No obstante, este modo de crecimiento indeterminado, a pesar de tener algunas características únicas, se asemeja al crecimiento secundario en grosor de algunas monocotiledóneas como las palmáceas.

Los cladoxilópsidos son particularmente importantes porque dominaron la Tierra durante el Devónico (hace entre 419 y 358 millones de años). Formaron los primeros bosques y jugaron un papel clave en la absorción de dióxido de carbono de la atmósfera. También agregaron oxígeno a la atmósfera, afectando el clima e influyendo en las condiciones que fomentaron la aparición de otras formas de vida. A pesar de su papel crítico inicial en la evolución de la vida en la Tierra, no tienen descendientes modernos. Desaparecieron al final del período Devónico, tal vez porque quedaron a la sombra de árboles más altos y robustos, o porque las cambiantes condiciones ambientales pudieron haber favorecido a Archaeopteris, los antepasados de los árboles modernos que aparecieron hace 385 millones de años.

El nuevo estudio es un paso importante para resolver varios de los misterios sobre la Tierra primitiva, porque para comprender el papel de los cladoxilopsidos en el pasado de nuestro planeta, es esencial saber cómo estaban construidos. ©Manuel Peinado Lorca. @mpeinadolorca

Tazas de café y cacas de hormiga

Grupos de hormigas tejedoras (Oecophylla smaradigna). Foto.

Las plantas de café se benefician de los excrementos de las hormigas.

El nitrógeno es, con diferencia, el elemento químico más abundante: un 78% de la atmósfera es nitrógeno. Es también un elemento esencial en el metabolismo de todos los organismos, por tratarse de un componente esencial de los aminoácidos y los ácidos nucleicos, vitales para los seres vivos. De todos los nutrientes minerales, el nitrógeno es el que mayor efecto tiene en el crecimiento de las plantas y, por lo tanto, en la productividad primaria de los ecosistemas, lo que afecta a su vez a todos los organismos que dependen de ellas. El aumento en el rendimiento de las cosechas a partir de que se comenzaron a utilizar fertilizantes nitrogenados en el siglo XIX lo demuestra. A pesar de la gran cantidad de nitrógeno atmosférico, este elemento es limitante: pocos organismos pueden asimilarlo en esta forma. Las plantas solamente pueden asimilarlo eficientemente forma de iones amonio (NH₄⁺) o nitrato (NO₃^-), aunque también pueden absorber pequeñas cantidades de aminoácidos y urea.

Las hormigas y las plantas en las que viven han evolucionado para beneficiarse mutuamente de su estrecha relación. Las plantas proporcionan espacio para anidar y alimento para las hormigas, que a su vez defienden a la planta contra los herbívoros. Ahora sabemos también que las hormigas tejedoras (Oecophylla smaragdina) se ganan la vida proporcionando estiércol fertilizante a las plantas de café (Coffea arabica).

En un artículo que se acaba de publicar en la revista Journal of Ecology, Pinkalski y colaboradores han presentado los resultados de una investigación que demuestra un mecanismo hasta ahora desconocido mediante el cual las hormigas tejedoras suministran nutrientes a las plantas cafeteras. Sus experimentos, tan sencillos como ingeniosos, consistieron básicamente en alimentar a las hormigas con una dieta de glicina que contenía nitrógeno isotópico 15N, lo que les permitió observar cómo el nitrógeno de las heces se absorbía a través de las hojas para después incorporarse a toda la planta. Las hojas de las plantas que alojaban a las hormigas contenían más nitrógeno que las que no albergaban a los himenópteros. El experimento se repitió en plantas con algunas hojas cubiertas con bolsas de plástico: invariablemente, el contenido en 15N era mayor en las hojas descubiertas. 

Aunque todavía es pronto cómo para saber cuán extendido está el fenómeno, estas evidencias sugieren que las hormigas se pagan su hospedaje no sólo combatiendo a los herbívoros, sino alimentando con nitratos a sus hospedantes. ©Manuel Peinado Lorca. @mpeinadolorca.

Cartografía de los reptiles mundiales

Los rincocéfalos (Rhynchocephalia) incluyen un solo género actual, 

Sphenodon endémico de Nueva Zelanda. Foto.

Al completar el mapa de todos los vertebrados terrestres gracias a una investigación publicada el pasado lunes en la revista Nature Ecology & Evolution, un equipo internacional de científicos ha dado un enorme empuje al “Atlas de la Vida”, un proyecto planificado hace más de diez años, cuyos primeros resultados fueron publicados en 2006 en Nature.

Nuestro conocimiento de la distribución geográfica de una amplia variedad de organismos ha mejorado mucho en la última década, lo que ha supuesto una gran contribución a los esfuerzos para conservar la biodiversidad y para mejorar significativamente nuestra comprensión de los procesos evolutivos y ecológicos a escala global. Sin embargo, aunque los reptiles representan un tercio de las especies de vertebrados terrestres, el conocimiento de su distribución seguía siendo pobre y asistemático. Eso significaba un vacío importante en la comprensión de la estructura global de la biodiversidad y de nuestra capacidad de conservar la naturaleza.

Históricamente, los esfuerzos a gran escala para la protección de los vertebrados terrestres (y, por tanto, también de los reptiles) se han basado principalmente en datos de plantas, aves, mamíferos y, en menor grado, de anfibios. En el trabajo publicado ahora por científicos de Oxford y Tel Aviv, se presentan las distribuciones globales a nivel de especie de casi todos los reptiles existentes conocidos: 10.064 especies (el 99% de las conocidas), que incluyen a Sauria (6.110), Ophidia (3.414), Testudinae (322), Amphisbaenia (191), Crocodylia (24 especies) y Rhynchocephalia (1 especie).

Mapas de riqueza de especies de tetrápodos terrestres. (a) Riqueza de todos los tetrápodos (reptiles, anfibios, aves y mamíferos). (b-e), Riqueza de especies de grupos de reptiles: todos los reptiles (b), lagartos (c), serpientes (d) y tortugas (e). Las áreas grises denotan regiones terrestres desprovistas de especies en un grupo particular. Los colores azules denotan regiones con pocas especies y las rojas indican regiones con muchas especies (téngase en cuenta que la escala difiere entre los paneles). Todos los mapas en un área igual, con la proyección Behrmann en una resolución de celda de 48,25 × 48,25 km); los valores de la barra de escala representan la riqueza de especies. Fuente.

Este conjunto de datos completa la cartografía de distribución mundial de todos los vertebrados terrestres descritos existentes (Figura), unas 31.000 especies, que hasta ahora incluía 5.000 mamíferos, 10.000 aves y 6.000 anfibios, y proporciona información que ha estado ausente de gran parte de los programas de planificación de conservación global y de los esquemas de priorización construidos en los últimos veinte años. Los peces son todavía una asignatura pendiente.

El análisis ha ayudado a identificar la fragilidad de la biodiversidad en algunas regiones como la Península Arábiga, las zonas áridas del sur africano, las estepas asiáticas, los desiertos del centro de Australia, los matorrales brasileños y las zonas altas de los Andes. Los desiertos y las zonas secas son precisamente los centros de actividades modernas como grandes proyectos de regadío o de nuevos centros de energía solar, una situación que hace muy difícil la conservación de los organismos que los habitan. © Manuel Peinado Lorca. @mpeinadolorca

Flores sencillas pero maravillosas

Flores de Panicum virgatum. Foto.

Las flores de las gramíneas (familia Poaceae) son un prodigio de la evolución. Basta acercarse a ellas con una simple lupa de mano para descubrir un nuevo mundo dentro de la diversidad de las angiospermas. A diferencia de otras plantas con flores, su encanto no radica en unos sépalos o pétalos llamativos, sino en una complejidad centrada en la utilización del viento para la polinización. Sin embargo, esas piezas florales no faltan. Las flores anemófilas de las gramíneas producen un perianto, cuya función ha sido altamente modificada.

Fuente

Para ver a lo que me refiero, se necesita hacer una disección con una lupa binocular. Saca una flor y quita las cubiertas o glumillas (la pálea y la lema) que la cubren. En su interior verás un ovario completo con estigmas plumosos y tres estambres provistos de grandes anteras. En la base del ovario hay un par de escamas llamadas lodículas, que difieren bastante de especie a especie en tamaño, forma y aspecto general. Se piensa que estas lodículas son los vestigios del perianto. No se parecen a sépalos o pétalos porque la función de estas estructuras no es atraer a los polinizadores. Ayudan en la polinización de otra manera. 

Cuando las flores de las gramíneas están listas para la reproducción, las lodículas comienzan a hincharse. Esta hinchazón sirve para separar a la rígida pálea y a la membranosa lema que protegían a las piezas fértiles mientras se desarrollaban. Una vez separadas, las anteras y el estigma quedan libres para emerger y dejar que el viento haga el resto trabajo. © Manuel Peinado Lorca. @mpeinadolorca.

¿Es la cardencha (Dipsacus fullonum) una planta carnívora?

Cardencha (Dipsacus fullonum). Foto.

Hace algunos años, mi compañero Jacinto Gamo, profesor de Zoología, me hizo una pregunta muy interesante. Durante sus trabajos de campo había observado la curiosa forma de las hojas de una planta relativamente común en los humedales españoles, la cardencha, Dipsacus fulllonum (Caprifoliaceae). En la base de esas hojas se acumulaba agua en la que flotaban insectos muertos. Tan curioso como debe ser un buen biólogo, Jacinto me preguntó si yo conocía algún dato acerca de la posible carnivoría de la planta. Mi respuesta fue que había muchas observaciones casuales como la nuestra, pero ninguna evidencia empírica que fuera más allá de los que había insinuado Darwin en 1877 [1].

Desde entonces, el asunto ha estado siempre rondándome por la cabeza, aunque sin encontrar dato alguno. Ahora, en una de las habituales pesquisas bibliográficas que me permite el verano, he encontrado un estudio que proporciona la primera evidencia empírica de que la cardencha se beneficia reproductivamente de las sustancias nitrogenadas de los insectos atrapados en sus hojas.

El fenómeno de la carnivoría en plantas ha sido reconocido y estudiado desde los minuciosos estudios pioneros de Charles Darwin [2], y se sabe que ha evolucionado al menos 6 veces [3]. Se piensa que sus ventajas para la planta implican la obtención de cantidades significativas de nitrógeno y fósforo, lo que explica que las plantas carnívoras prosperen típicamente en suelos ácidos y pobres en nutrientes [4]. Sin embargo, se conocen estados intermedios entre las plantas “normales” y las verdaderas carnívoras, y se sabe también que la mayoría de las plantas silvestres aumentan su crecimiento y, por lo tanto, potencialmente, la producción reproductiva, cuando se les abona con nitrógeno y fósforo procedente de restos de animales en descomposición [3].

Hojas abrazadoras de la cardencha. Foto.

La cardencha es una hierba que solamente vive dos años (es bienal). Después de germinar a partir de semilla, el primer año se limita a formar una roseta de hojas basales; luego crece rápidamente durante la primavera del segundo año hasta que su inflorescencia terminal alcanza una altura que puede llegar hasta los 2,5 m. Las hojas son enteras, dentadas y lanceoladas, y se unen en la base formando una especie de pila que recoge el agua pluvial a la que alude el nombre popular –“pila de agua bendita”- que recibe en algunos pueblos castellanos. Las flores son de un color rosado-lila y aparecen en cabezas espinosas y cónicas. A cada púa de la cabeza le corresponde una flor. Las semillas son un importante recurso alimenticio invernal para algunas aves, especialmente para los jilgueros. Una vez florecida y fructificada, la planta muere en el invierno de su segundo año.

En el agua de lluvia que recoge es habitual encontrar restos de invertebrados a medio descomponer, lo que ha llevado a especular con sus hábitos carnívoros [1], [5], [6], aunque los libros especializados en plantas carnívoras no lo hayan incluido jamás entre ellas habida cuenta de la falta de evidencias empíricas que sostuvieran la hipótesis. Por lo demás, todo apuntaba en contra. La cardencha se diferencia de otras plantas carnívoras en que no vive en medios ácidos, sino en terrenos calcáreos por lo general, que, además, suelen estar enriquecidos con nitrógeno por las actividades de hombres y animales (es considerada una planta nitrófila), condiciones ambas que resultarían letales para las carnívoras típicas. [7]

Cabezuelas secas de cardencha, que tradicionalmente
eran usadas para cardar lana. Foto

El citado artículo de investigación, firmado por dos profesores británicos, es el primero en sostener que la captura de invertebrados favorece la vitalidad reproductiva de la cardencha. Básicamente, lo que hicieron fue cultivar cardenchas. A algunas les suministraron sistemáticamente larvas de dípteros depositándolos en sus hojas, mientras que a otras se les privó de ellos. La cantidad de larvas adicionadas varió en distintos ejemplares de cardenchas. El objetivo de su estudio era demostrar si la adición de insectos mejoraba o no las capacidades de crecimiento o reproducción de las plantas.

Los datos resultantes ofrecen la primera evidencia de que el cardo puede beneficiarse de los insectos. Aunque el equipo no encontró evidencia de que las plantas a las que se suministraron insectos aumentaran su biomasa global, sí vieron un efecto positivo no sólo en el número de semillas producidas, sino también en el tamaño de las mismas. En otras palabras, cuando se alimentaban con una dieta de dípteros, las plantas no crecían más, pero sí producían mayores cantidades de semillas y estas eran más pesadas y voluminosas. La adición de larvas muertas a las bases foliares provocó un aumento del 30% en el conjunto de semillas y en la proporción masa de semillas / biomasa. Eso es una verdadera bendición para una planta con un ciclo de vida bienal como la cardencha. Cuanto más saludables sean las semillas, mejor.

Pero antes de elevar la hipótesis al nivel de teoría hay que andarse con tiento. Como los propios autores afirman en su trabajo, estos hallazgos deben ser replicados con el fin de poder afirmar con certeza que los efectos que midieron se debieron a la adición de presas de insectos. En segundo lugar, no se realizaron análisis químicos para determinar si las plantas digerían activamente los insectos o cómo se absorbían los nutrientes.

Tal vez la cardencha sea una especie que, evolutivamente hablando, esté en camino de convertirse en un verdadero carnívoro. Todavía no podemos decirlo con seguridad. Sin embargo, este trabajo nos ha dado la primera evidencia en apoyo de una hipótesis que hasta ahora carecía de pruebas por más que Darwin hubiese alentado la posibilidad hace siglo y medio [1].

Además, es interesante pensar que hay una gran posibilidad de que, si alguien quiere ver una planta carnívora, no necesite ir más allá de un barbecho. ©Manuel Peinado Lorca. @mpeinadolorca.

[1] Darwin F (1877) On the protrusion of protoplasmic filaments from the glandular hairs on the leaves of the common teasel (Dipsacus sylvestris). Proc Roy Soc Lond 26: 245–271. [2] Darwin C (1875) The carnivorous plants. London: John Murray. [3] Juniper BE, Robins RJ, Joel DM (1989) The Carnivorous Plants (1st edition). London: Academic Press Ltd. [4] Ellison AM, Gotelli EJ (2001) Evolutionary ecology of carnivorous plants. Trends Ecol Evol 16: 623–629. [5] Christy M (1923) The common teasel as a carnivorous plant. J Bot 61: 33–45. [6] Simons P (1981) How exclusive are carnivorous plants? Carnivorous Plants Newsletter 10: 65–68. [7] Adamec L (1997) Mineral nutrition of carnivorous plants: a review. Bot Rev 63: 273–299.