La receta de la vida. Cómo, por qué y para qué las plantas colonizaron la tierra firme

Uno de los mayores acontecimientos en la historia de la Tierra se produjo cuando las plantas comenzaron a colonizar los continentes. Al hacerlo, lograron alcanzar unos recursos cuya disponibilidad limitaba a sus ancestros que habitaban exclusivamente en los océanos y se prepararon para convertirse en los segundos grandes transformadores del mundo.

Aunque sea difícil imaginar un mundo sin ellas, durante casi el 90% de la historia de la Tierra, no hubo plantas terrestres, que surgieron hace poco más de 400 millones de años, lo que, comparado con los más de 4.000 millones de años de historia de la vida en nuestro planeta, es una minucia.

El avance evolutivo que supuso la conquista del medio terrestre les permitió convertirse en el segundo grupo de organismos que cambiaron radicalmente el mundo dos mil millones de años después de que las cianobacterias oxigenaran el planeta en la primera gran revolución que cambió el mundo. Las cianobacterias protagonizaron la Gran Oxidación, probablemente el mayor desastre ambiental de la historia que, paradójicamente, también sentó las bases para el desarrollo de la vida multicelular en la Tierra.

En buena medida, las innovaciones evolutivas de las plantas se comprenden mejor indagando la conexión con sus predecesores cianobacterianos y con el siguiente grupo de organismos que cambiarán el mundo: los humanos. Esa conexión reside en la “receta de la vida”, los cinco elementos que componen todos los seres vivos: hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno y fósforo.

Preparemos el escenario para la historia de las plantas considerando el mundo en el que surgieron. Los océanos de hace 400 millones de años no eran radicalmente diferentes de los que cubren hoy el 70% de la superficie del planeta. Sin embargo, la Tierra era mucho más cálida y de polo a polo regía un clima tropical.

Todo tipo de organismos, incluidos vertebrados e invertebrados de todas formas y tamaños, vagaban por los mares. Los continentes que asomaban desde la superficie del agua tenían aproximadamente su tamaño actual, aunque no en las posiciones modernas a las que condujo la deriva continental. Fundamentalmente, la química del océano era similar a la actual. Comprender esa química ayuda a explicar lo verdaderamente extraordinario y cambiante que fue la mudanza a tierra firme.

Oxígeno molecular en la atmósfera de la Tierra dado en atmósferas de presión. Etapa 1 (3850-2450 millones de años): no se acumula oxígeno. Etapa 2 (2450-1850 m. a.): el oxígeno es absorbido por los océanos y fondos marinos. Etapa 3 (1850-850 m. a): el oxígeno sale del océano y es absorbido por la superficie terrestre y en la formación de la capa de ozono. Etapas 4 (850-540 m. a.) y 5 (540 hasta la actualidad): los sumideros se saturan y el oxígeno se acumula en la atmósfera. La emisión de oxígeno al medio ambiente finalmente provocó una crisis ecológica (extinción masiva) para la biodiversidad de la época, pues el dioxígeno es tóxico para los microorganismos anaerobios dominantes entonces.

El nitrógeno, un recurso prácticamente ilimitado…. En el aire, no en el agua

¿Cómo vivían los organismos en ese antiguo océano? Como hoy, las cadenas alimentarias oceánicas se basaban en el consumo de organismos fotosintéticos productores de oxígeno como las cianobacterias y el plancton. Pero a diferencia de la mayor parte de la fotosíntesis actual que utiliza el CO₂, la maquinaria celular de la fotosíntesis de esos organismos unicelulares funcionaba mediante aportes de nitrógeno procedentes de cianobacterias y otros microorganismos nitrificantes que podían "fijar" el nitrógeno del aire, un recurso infinito.

El agua (hidrógeno más oxígeno) y el nitrógeno son tres elementos de la receta de la vida, los elementos que todos los organismos comparten en proporciones muy similares. Gracias a la fotosíntesis, la luz del sol, el agua abundante y el nitrógeno "fijado" impulsaron la adquisición de un cuarto ingrediente, el carbono,.

A pesar de que las cianobacterias pueden aprovechar una fuente prácticamente ilimitada de nitrógeno del aire, se piensa que el nitrógeno impuso una limitación clave a la vida que existía en el antiguo océano. Es un poco enigmático saber por qué ocurrió tal cosa. Especulemos.

La fijación de nitrógeno puede dar a las cianobacterias una ventaja sobre los organismos fotosintéticos que no pueden realizar ese notable ejercicio de alquimia biológica. Pero una vez que una cianobacteria muere y se descompone, el nitrógeno que capturó debería estar disponible para otros organismos.

Ciclo del nitrógeno

El reciclaje es la norma en la naturaleza: una vez que un nutriente escaso ingresa en un sistema, tiende a permanecer allí, buscado ansiosamente por todos los interesados. Pero entonces, si las cianobacterias podían acceder a una cuenta bancaria prácticamente ilimitada de nitrógeno atmosférico, ¿por qué el nitrógeno siguió siendo relativamente escaso en el océano? ¿Por qué las cianobacterias no consiguieron que se acumulara?

Este enigma ha preocupado a los científicos evolucionistas durante décadas y, como sucede con otros muchos buenos enigmas, no existe una respuesta única y clara. Las pérdidas de nitrógeno son importantes sin duda alguna, pero quiero centrarme en otra de las muchas razones que se le han ocurrido a algunos científicos: que la proliferación de organismos fotosintéticos en el océano, en general, y de cianobacterias en particular, estaba limitada por otro elemento de la receta de la vida.

Los dos elementos más abundantes en la receta son el hidrógeno y el oxígeno. Al vivir en el océano, las cianobacterias tenían amplio acceso a ellos. La fotosíntesis utiliza la luz solar y el agua de manera eficiente para capturar carbono, que abunda en el océano. Investigaciones realizadas en la década de 1950 demostraron de manera convincente que en el océano se disuelve suficiente dióxido de carbono como para que rara vez, o nunca, constituya una limitación para el crecimiento. La maquinaria fotosintética requiere mucho nitrógeno, pero las cianobacterias pueden fijar nitrógeno.

De manera que en los océanos primitivos dominados por las cianobacterias abundaban cuatro de los ingredientes de la receta de la vida (nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y carbono, pero y el fósforo, ¿qué pasaba con el fósforo?

El papel limitante del fósforo

Resulta que los organismos que pueden fijar nitrógeno tienden a tener una gran demanda de otros átomos, en particular de fósforo, pero también hierro y molibdeno. Los dos últimos son componentes importantes de la máquina biológica (la enzima nitrogenasa) que lleva a cabo la fijación de nitrógeno.

A diferencia del nitrógeno, el fósforo, el hierro y el molibdeno prácticamente no se encuentran en el aire. Se introducen en las cadenas tróficas de los organismos mediante la descomposición química de las rocas y, por eso, en un alarde de imaginación, los científicos los llaman "derivados de las rocas".

Se piensa que estos elementos derivados de las rocas limitan el crecimiento de cianobacterias y otros organismos fijadores de nitrógeno en los océanos. Así, aunque la vida podría haber estado limitada en gran medida por la cantidad de nitrógeno, la cantidad de este que esos organismos podían capturar estaba en última instancia limitada por el suministro de elementos derivados de la erosión de las rocas.

Imagina que eres un organismo fotosintético unicelular flotando en medio del océano hace 400 millones de años a más de mil kilómetros de la tierra. Si estás en la superficie, hay mucha luz solar disponible para impulsar la fotosíntesis. Hay muchas moléculas de agua que se pueden dividir utilizando la energía solar. Si eres un fijador de nitrógeno como las cianobacterias, puedes construir la maquinaria para capturar el gas nitrógeno que se disuelve en el agua.

Pero ¿dónde obtener los elementos (fósforo, hierro y otros derivados de las rocas) necesarios para construir esa maquinaria? No por la erosión de las rocas del fondo del océano, que están a kilómetros de profundidad, por lo que incluso si lograras llegar hasta allí, no habría luz para cebar la fotosíntesis. Como eres un organismo unicelular en la superficie del océano, tendrías que esperar y desear que esos elementos llegaran de alguna forma hasta ti.

Pero si eres un organismo unicelular que vives en un vasto océano desierto, con muy poca vida, porque a pesar de estar rodeado de luz solar y de dióxido de carbono, carece de otros elementos de la receta de la vida. La única fuente de fósforo derivado de las rocas, por ejemplo, es el transporte de material desde los continentes: un lento hilo de tierra procedente de los ríos o de polvo que cae sobre la superficie del océano.

Flotando en medio del océano Paleo-Pacífico estás a merced de las corrientes. No hay rocas a kilómetros de distancia. No hay nada que puedas hacer para aumentar el acceso a elementos derivados de rocas. No hay forma de acceder al quinto elemento más abundante en las células, el fósforo, y a los demás átomos derivados de la descomposición de las rocas. No puedes conseguirlo de ninguna manera, excepto si evolucionas y te trasladas a la fuente: la tierra firme.

Una vez más, la innovación y la proliferación terminaron en catástrofe: el desastre ambiental de las plantas apoderándose del mundo

Al igual que con la revolución de las cianobacterias que oxigenó el planeta, las innovaciones evolutivas que permitieron a las plantas completar su lenta marcha hacia la tierra giraron en torno al acceso a los elementos de la receta de la vida. Un primer paso, y de importancia crítica, fue llevar consigo la maquinaria fotosintética del océano. Los cloroplastos de las hojas de las plantas (el lugar donde se produce la fotosíntesis) tienen su propio ADN. Es el mismo ADN de las bacterias oceánicas fotosintéticas que, hace mucho tiempo, se transformaron en células vegetales. Los cloroplastos son un ejemplo de endosimbiosis: un organismo dentro de un organismo. Como resultado de esta endosimbiosis, la reacción química de la fotosíntesis de las plantas es la misma que la de las cianobacterias. Utiliza la misma maquinaria. Por eso las plantas terrestres bombean oxígeno durante la fotosíntesis del mismo modo que lo hacen las cianobacterias.

Vivir en el océano significaba que utilizar agua para la fotosíntesis no era un problema. Pero en tierra, la necesidad de agua significa una lucha constante por mantenerse hidratado. La lucha está resumida en la receta de la vida, que comienza con hidrógeno y oxígeno. Debido a que las plantas terrestres heredaron su maquinaria fotosintética de sus ancestros unicelulares que habitaban en los océanos, utilizan la misma fotosíntesis hipereficiente y dependiente del agua.

Dividen el agua utilizando la energía de la luz solar, capturan CO₂ y producen azúcares para construir sus células y oxígeno. Pero cada vez que abren los pequeños poros de sus hojas para permitir que el CO₂ se difunda desde el aire, pierden agua por el mismo conducto. Esa es una escasez con la que los habitantes del océano no tienen que lidiar.

La solución evolutiva a esta escasez fue el desarrollo de mecanismos de ahorro de agua: ceras impermeabilizantes de las hojas, extensas redes de raíces y simbiosis con hongos (para formar micorrizas) que exploraban cada rincón de los suelos. Estas innovaciones dieron acceso al agua y, cuando las raíces y los hongos atacaron las rocas de abajo, también liberaron fósforo.

Estas rocas estaban muy lejos del alcance de los antecesores de las plantas que habitaban en los océanos, pero justo debajo de sus "pies" en la tierra. Al atacar química y físicamente las rocas sobre las que crecían, las plantas y los hongos se convirtieron en los primeros y más eficientes mineros del mundo y obtuvieron un mayor acceso a los elementos clave de la receta de la vida.

Al colonizar los continentes y trasladarse a la fuente de los elementos cuya disponibilidad limitaba a sus ancestros oceánicos, las plantas terrestres se prepararon para convertirse en los segundos grandes transformadores del mundo.

Para entender cómo, tenemos que pasar del paleoocéano a la paleoatmósfera. Como hoy en día, el nitrógeno (como gas N₂, dos átomos de nitrógeno unidos tan estrechamente que son prácticamente inertes) y el oxígeno (como gas O₂, dos átomos de oxígeno unidos lo bastante débilmente como para ser muy reactivos) constituían la gran mayoría del aire. Pero la mejor evidencia disponible sugiere que los niveles de CO₂ pueden haber sido diez veces más altos que los actuales, y el calor atrapado por todo ese dióxido de carbono significaba que el mundo era muy caliente, probablemente unos 5,5 grados centígrados más caliente que hoy.

Puede que esto no parezca mucho, pero un mundo así era lo suficientemente cálido como para no tener hielo en ninguno de los polos, con el norte cubierto por un océano con temperatura de caldo y el sur ocupado por el supercontinente Gondwana.

Las plantas terrestres hicieron tres innovaciones clave. Primero, encontraron una nueva forma de capturar la luz solar y, por tanto, el carbono. En este caso la innovación no fue una nueva reacción bioquímica sino el traslado de esta reacción a un nuevo lugar: el cloroplasto. En segundo lugar, desarrollaron una forma de resistir la escasez de agua en la tierra construyendo redes de raíces y asociándose con hongos (entre otras cosas).

Finalmente, se convirtieron en mineros que excavaban en busca de nutrientes críticos derivados de las rocas que eran, y siguen siendo, escasos en el océano. Sus innovaciones para conseguir agua y nutrientes permitieron su enorme proliferación. Los protobosques se extendieron por gran parte del supercontinente que se extendía desde el ecuador hasta los polos. Pero, al igual que ocurre con las cianobacterias, la historia de las plantas también muestra cómo un acceso sin precedentes a los elementos esenciales de la vida puede tener consecuencias. Una vez más, la innovación y la proliferación terminaron en catástrofe.

La catástrofe del CO₂: ayer al revés que hoy

La catástrofe se produjo porque los elementos de la receta de la vida también están contenidos en los gases de efecto invernadero que regulan el clima de la Tierra. Como hoy, hace 400 millones de años el principal gas que mantenía caliente el planeta era el CO₂. Cuando las plantas evolucionaron, lo extrajeron del aire para formar sus tejidos, y cuando esos tejidos morían, parte de ese carbono quedaba atrapado en el suelo. Esa fue la primera extracción: retirar CO₂ del banco atmosférico.

Las plantas también aceleraban la disolución de los minerales en tierra, lo que tuvo el efecto neto de eliminar el CO₂ del aire y almacenarlo en el fondo del océano en forma de piedra caliza. Esa fue la segunda extracción. Finalmente, las condiciones geológicas permitieron el crecimiento y las repetidas inundaciones de los vastos bosques pantanosos de tierras bajas que surgieron durante el Carbonífero. Cuando las plantas que crecían en esos pantanos morían, sus restos quedaban protegidos de la descomposición. Su deposición a lo largo de millones de años representó otra transferencia neta de CO₂ del aire.

Con la extracción que impusieron las plantas terrestres, la cantidad de CO₂ en el aire comenzó a disminuir. Con el tiempo, las innovaciones de las plantas extrajeron suficiente CO₂ del aire como para que el efecto invernadero comenzara a debilitarse. La Tierra pantropical, que había sustentado grandes bosques en la mayor parte de su territorio, comenzó a enfriarse.

No está claro cuánto tiempo tomó el proceso antes de que la Tierra se enfriara lo suficiente como para que llegaran las eras glaciares. Pero hace 300 millones de años, aproximadamente 100 millones de años después de que las plantas comenzaran a desarrollarse en tierra firme, la Tierra se había enfriado lo suficiente como para que los vastos bosques tropicales desaparecieran de la mayor parte del planeta. Se congelaron por su propio éxito. Un desastre ambiental provocado por un nuevo acceso a los elementos de la receta vital, su posterior proliferación y las consecuencias colaterales.

El proceso impulsado por las plantas fue lento: un goteo, gota a gota del almacén de CO₂ en el aire y una transferencia de ese carbono bajo tierra. Parte de ese carbono se comprimió, se concentró y se convirtió en carbón. Luego, 300 millones de años después de que esos árboles tropicales sucumbieran a los cambios ambientales que ellos mismos provocaron, el siguiente organismo que cambiaría el mundo, los humanos, descubrió ese almacén rico en carbono.

Comenzamos a quemar ese carbono almacenado a un ritmo nunca visto en la historia de nuestro planeta. Usamos la energía que produjo la quema para construir presas y capturar agua, lo que nos permitió a nosotros y a nuestros cultivos mantenernos hidratados en tierra. Usamos esa energía para fijar industrialmente nitrógeno y extraer fósforo para fertilizar nuestras granjas ahora irrigadas. Y nosotros también estamos cambiando el mundo, incluso más rápido que nuestros predecesores. Pero al igual que ellos, nuestro éxito y el peligro ambiental están indisolublemente ligados a los elementos de la receta de la vida. © Manuel Peinado Lorca. @mpeinadolorca.