¿Cómo nacieron los animales?

En entradas anteriores hemos platicado que la vida puede existir en entornos que antes se creían demasiado rigurosos o demasiado extremos para soportar células vivas. También hemos platicado que no solo la vida puede existir en estos entornos extremos, sino que, en la Tierra, al menos, también puede haberse originado en ellos. La implicación de estos hallazgos recientes es que debido a que la vida microbiana puede sobrevivir y tal vez originarse en ambientes extremos, puede estar muy extendida en el Universo (Incluso en otros planetas de nuestro sistema solar). Sin embargo, ¿Qué pasa con las formas de vida superiores? ¿Serán los animales y las plantas multicelulares tan comunes como las bacterias en otros planetas? En esta entrada examinaremos estas preguntas observando cómo llegaron a ser las formas de vida superiores en el planeta Tierra y preguntando, como lo hicimos en el caso de los extremófilos, si esta historia en particular puede llevar a generalizaciones o ideas relacionadas con la frecuencia de la vida animal. más allá de la tierra

Una Dicotomía Antigua

La brecha entre la complejidad de una bacteria y la complejidad de incluso el animal multicelular más simple, como un gusano plano, como la planaria, es inmensa. El número de genes en una bacteria se puede medir en miles, mientras que los genes en un gran número de animales en decenas de miles. Para ilustrar esto, podemos comparar una bacteria con un simple velero de madera de juguete. Con solo tres o cuatro partes muy duras, el velero de juguete es prácticamente indestructible, al igual que una bacteria es impermeable a la mayoría de los estreses ambientales. El gusano plano, por el contrario, es como un trasatlántico: inmensamente más grande, más complejo y el producto de innumerables logros tecnológicos. El velero no necesita combustible complejo; utiliza el viento como su fuente de energía, así como una bacteria autótrofa (Una que no requiere nutrientes orgánicos) puede tomar las fuentes más simples, como el hidrógeno y el dióxido de carbono, y fabricar su propio material orgánico. Una planaria debe encontrar e ingerir alimentos complejos, y necesita una amplia gama de nutrientes y materiales inorgánicos para vivir, al igual que un transatlántico debe recibir combustible complejo y dedica gran parte de su maquinaria interna a convertir combustible en movimiento y energía. Continuemos con esta simple analogía y traigamos el componente del tiempo. Debido a que su tecnología es tan simple, los veleros de juguete han sido construidos por humanos durante miles de años. Los transatlánticos, por otro lado, son un producto de este siglo. Tuvieron que esperar el desarrollo de complejos metales fundidos, vapor o motores de combustión interna, electrónica y todo lo demás. No se pueden construir de manera simple, ni se pueden construir hasta que cada uno de sus diversos componentes se inventó y perfeccionó por primera vez. Los veleros (De juguete o de otro tipo) han estado en la Tierra durante mucho tiempo. No tanto los transatlánticos, ni siquiera los animales más simples. Hay un paralelo final que podemos dibujar. Como todos los objetos construidos a mano por los humanos, nuestro velero de juguete eventualmente será destruido: Tal vez perderá primero su vela de tela y luego su mástil; Eventualmente la madera del casco se pudrirá. Pero hasta entonces es prácticamente insumergible, al igual que los microbios de este planeta no solo pueden soportar un rango de condiciones mucho mayor que cualquier animal, sino que también parecen resistir la extinción durante mucho más tiempo. Nuestro transatlántico, por otro lado, es un «animal» muy diferente. Uno de los primeros de este siglo, por supuesto, fue nombrado Titanic.

Los animales que se encuentran ahora en nuestro planeta son distintos del dominio Bacteria y del otro dominio similar a la bacteria, Archaea. Los animales pertenecemos a una tercera rama, el dominio Eucarya (Los tres dominios, sin embargo, comparten un ancestro común).

Como lo platicamos en una entrada previa, los organismos vivos fueron clasificados durante mucho tiempo en dos grandes «reinos» compuestos de animales y plantas. Finalmente, ese número se incrementó a cinco, formado por animales, plantas, bacterias, hongos y protistas, como se señaló en la entrada anterior (Primera Aparición de la Vida en la Tierra). Las clasificaciones modernas ahora dividen la vida en tres agrupaciones más básicas denominadas dominios: Eubacteria (O simplemente Bacteria), Archaea (Cuyos miembros están unidos al exhibir un tipo de célula conocido como procariótico), y Eucarya (Compuesta de todo lo demás, incluidos los antiguos animales y plantas). Por lo tanto, la subdivisión principal ya no está en las líneas clásicas (Que, en sí misma, se basó en las diferencias bien conocidas entre animales y plantas), sino que se basa en diferencias importantes en la arquitectura celular y el contenido genético entre estos grupos.

Los arqueas y las bacterias (A las que en adelante nos referiremos como procariotas) no tienen núcleo interno ni orgánulos limitados por membranas. Su información genética está contenida en una sola hebra de ADN que está incrustada en el citoplasma interior de la célula y, por lo tanto, se separa del ambiente externo solo por la pared celular externa. Los procariotas se reproducen en gran parte por medios asexuales. Crecen rápidamente y se dividen con frecuencia. Los eucariotas son tan distintos genéticamente de las bacterias y los arqueanos que se pueden diferenciar fácilmente como un tercer dominio separado. Los eucariotas también tienen una anatomía y organización internas muy diferentes. Poseen un núcleo interno y otros compartimentos celulares internos (Conocidos como orgánulos), como las mitocondrias que producen energía.

Aclaremos algunos términos antes de continuar. El término clado se refiere a un grupo de organismos que comparten un ancestro común más recientemente que algún otro grupo de organismos. Los arcaeanos, las bacterias y los eucariotas forman clados separados. El término grado, por otro lado, se refiere a un nivel de organización. Por ejemplo, los mamíferos y las aves son de sangre caliente y, por lo tanto, comparten el grado de «sangre caliente», a pesar de que los dos grupos son miembros de diferentes clados. Utilizamos los términos procariotas y eucariotas para denotar dos grados diferentes de evolución. Todas las bacterias y arqueas pertenecen al grado procariótico, aunque representan clados separados. Los eucariotas pertenecen al grado eucariota.

Sin embargo, existe una distinción mucho más fundamental entre estos grupos que la simple arquitectura o las diferencias en su código genético. Estos tres grupos han desarrollado estrategias muy diferentes para enfrentar los desafíos ambientales. Los arcaeos y las bacterias tienden a resolver sus problemas mediante el uso de la química: Han evolucionado innumerables soluciones metabólicas a los desafíos ambientales de la Tierra a lo largo del tiempo, pero han cambiado muy poco su morfología al hacerlo. Quizás debido a esto, los arqueas y las bacterias han alcanzado una diversificación morfológica muy limitada en comparación con el inmenso número de especies que han evolucionado en el dominio Eucarya. La mayoría de ellos han conservado el cuerpo unicelular. Lo que han hecho, con gran éxito, es desarrollar una amplia variedad de especializaciones metabólicas y, por lo tanto, encontrar soluciones bioquímicas y metabólicas para los desafíos ambientales. Cuando los arcaeanos y las bacterias encuentran un entorno que no les gusta, literalmente intentan cambiar la naturaleza química de su entorno.

En contraste con la mayoría de los arcaeos y bacterias unicelulares, la mayoría de los eucariotas han tomado la decisión opuesta: Responden a los desafíos cambiando o creando nuevas partes del cuerpo. El suyo ha sido un enfoque morfológico, más que metabólico. Una consecuencia de este modo de vida ha sido un aumento de tamaño. Los eucariotas evolucionaron formas con un núcleo interno y otros orgánulos celulares internos; esto llevó a cuerpos más grandes. Y también dominaron el arte de incorporar muchas células por individuo.

El registro fósil de vida más antiguo que se conoce, de rocas que datan de hace unos 3.5 mil millones de años, parece ser de arcaeos o bacterias, lo que sugiere que uno de estos dos grupos puede incluir los primeros organismos verdaderamente vivos que han evolucionado en la Tierra. Estos primeros fósiles son filamentosos y se parecen mucho a las bacterias filamentosas existentes conocidas como cianobacterias. La existencia continuada de estas formas sugiere que estos procariotas antiguos alcanzaron temprano un nivel de éxito que no ha requerido un mayor ajuste morfológico posterior. Pero, ¿No podrían los interiores de estas celdas, ahora separadas por 3.5 mil millones de años o más, ser radicalmente diferentes? Posiblemente, pero no es probable. Dada una máquina del tiempo capaz de transportarnos a las primeras cunas de la vida de la Tierra, lo más probable es que recuperemos microbios morfológicamente, químicamente, y quizás incluso genéticamente indistinguibles (O casi) de las formas existentes. Los científicos han llegado a esta conclusión a través de sus esfuerzos por descifrar la secuencia y la función de los genes en las bacterias modernas. Cada gen tiene una función o serie de funciones, y debido a que muchas bacterias vivas se encuentran en entornos similares a los de la Tierra antigua, se puede suponer que, para sobrevivir, las bacterias antiguas tenían que tener genes muy similares. El código genético de muchos microbios todavía es muy básico, y probablemente no sea muy diferente del de los tipos que vivieron hace más de 3 mil millones de años. Las bacterias y los arqueanos parecen estar altamente conservados; Es decir, son verdaderos fósiles vivientes. Y además de ser muy viejos, han tenido mucho éxito. Siguen siendo las formas de vida más abundantes en la Tierra. Puede haber fácilmente tantas bacterias en una gota de agua como seres humanos en toda la Tierra. Habitamos, y siempre estaremos, en la «Era de las Bacterias».

La historia evolutiva de las bacterias y los arqueanos es, por lo tanto, uno de los pocos cambios morfológicos en los últimos 4 mil millones de años. La historia evolutiva del tercer gran dominio, Eucarya, fue decididamente diferente (Como se muestra en la siguiente imagen). Algunos de los eucariotas conservaron sus formas primitivas, casi similares a las bacterias, y algunos de estos todavía existen en la Tierra hoy en día. El resto, sin embargo, logró una de las transformaciones más notables de la vida al crear un nuevo tipo de célula, la célula eucariota, cuya mayor innovación es la presencia de un núcleo interno. Fue a partir de este grupo que la vida animal eventualmente evolucionó. Examinemos ahora las diferencias entre los grados procarióticos y eucarióticos. Esta distinción tiene gran relevancia para nuestra historia, ya que parece que alcanzar el grado eucariótico fue el paso más importante en el proceso evolutivo que culminó en los animales en el planeta Tierra.

En las células procariotas, la barrera más importante entre la célula y el mundo externo es la pared celular. En las células eucariotas, existen muchas barreras, que incluyen la pared al núcleo, la pared celular y, entre las variedades multicelulares, el epitelio (La piel externa). Los eucariotas han seguido el camino de la compartimentación de las funciones celulares en los orgánulos unidos a la membrana, como el núcleo, las mitocondrias, los cloroplastos y otros. Debido a esto, las diferencias morfológicas entre procariotas y eucariotas son profundas.

Sin embargo, también existen otras distinciones no morfológicas, que también han afectado las historias evolutivas de estos grupos. La diferencia más obvia está relacionada con los diversos grados de organización multicelular logrados por procariotas y eucariotas. Los procariotas rara vez han alcanzado niveles de organización de gran tamaño o de «metazoos» (Muchas células en un solo organismo). Sin embargo, las formas multicelulares que han evolucionado han jugado un papel protagónico en la historia de la Tierra. El más importante de estos son los estromatolitos (El término significa «colchón de piedra») compuesto por masas de bacterias fotosintéticas en cama. Incluso cuando los procariotas han logrado la multicelularidad, la coordinación intercelular de las tareas ha sido mínima. Los eucariotas, por otro lado, han evolucionado repetidamente en formas multicelulares.

Estas dos estrategias han tenido un efecto marcado en las historias evolutivas de los dos grupos. Como hemos dicho, algunas especies de bacterias en la Tierra hoy en día parecen indistinguibles de las formas fósiles encontradas en rocas de más de 3 mil millones de años. En contraste, la mayoría de las especies eucariotas con un registro fósil (Y, por lo tanto, partes duras) parecen persistir por períodos de solo 5 millones de años o menos. La reproducción sexual y muchos episodios de radiación evolutiva y extinción que resultan en un cambio morfológico caracterizan a la mayoría de los eucariotas metazoarios (Multicelulares). Los procariotas, por otro lado, aparentemente han adaptado una estrategia que los protege de la extinción, pero al mismo tiempo reprime la innovación morfológica. Estos son caminos profundamente diferentes. ¿Cómo se produjo esta gran diferenciación de la vida en la Tierra?

El descubrimiento de la antigua divergencia evolutiva entre los grandes grupos de hermanas procarióticas, Bacteria y Archaea, destruyó la antigua creencia de que estos llamados «grupos primitivos» están estrechamente relacionados, uno de los cuales es el ancestro del otro. Ahora muchos microbiólogos creen que ambos surgieron de un ancestro común y antiguo que aún no se conoce. Un descubrimiento aún más sorprendente se refería a la ascendencia del dominio Eucarya. El linaje del cual surgieron todos los animales y plantas de hoy en día podría ser tan antiguo como los dos grupos procarióticos. Esto no quiere decir que las células eucariotas actuales sean tan antiguas como las procariotas. La mayoría (Pero no todos) de los científicos que estudian esto, creen que el grado eucariota de la célula, con su núcleo interno claramente definido y muchos avances sobre el grado procariótico, no apareció en la Tierra hasta más de mil millones y medio después de la primera bacteria. y arqueas. Lo que este análisis sugiere es que la célula eucariota, el requisito previo básico para la formación de vida compleja de metazoos, surgió solo una vez, de un grupo de organismos similares a las bacterias. El resto fue historia evolutiva. A partir de ese primero, surgieron células complejas con un núcleo interno que conforman todas las formas subsiguientes de este diverso dominio: plantas, hongos, varios grupos protistas (Incluidos los flagelados y ciliados, criaturas unicelulares que habitan en estanques y lagos y se observan fácilmente con un simple microscopio), un grupo de microorganismos llamados microsporidios (Y, en última instancia, animales).

La Familia “Nuclear”

En resumen, podemos caracterizar a las células eucariotas con siete características principales que las distinguen de las procariotas.

1. En los eucariotas, el ADN está contenido dentro de un orgánulo limitado por la membrana, el núcleo.
2. Los eucariotas tienen otros cuerpos cerrados dentro de la célula: Los orgánulos, como las mitocondrias (Que producen energía) y los cloroplastos (Pequeñas inclusiones que permiten la fotosíntesis).
3. Los eucariotas pueden realizar la reproducción sexual.
4. Los eucariotas tienen paredes celulares flexibles que les permiten engullir otras células a través de un proceso conocido como fagocitosis.
5. Los eucariotas tienen un sistema de andamiaje interno compuesto de diminutos hilos de proteínas que les permiten controlar la ubicación de sus orgánulos internos. Este citoesqueleto también ayuda a los eucariotas a replicar su ADN en dos copias idénticas durante la división celular. Este sistema es a la vez más complicado y más preciso que la simple división del ADN que se produce en las células procarióticas.
6. Las células eucariotas son casi siempre mucho más grandes que los procariotas; por lo general, tienen volúmenes celulares al menos 10,000 veces mayores que los de la célula procariota promedio. Una arquitectura interna y sistemas de balance de sal mucho más avanzados que los que se encuentran en los procariotas que hacen posible este tamaño más grande.
7. Los eucariotas tienen mucho más ADN que los procariotas, por lo general 1000 veces más. El ADN en la célula eucariota se almacena en cadenas o cromosomas, y generalmente está presente en múltiples copias.

Entre la primera evolución de la vida y la primera célula para el deporte de un grado de organización eucariótico, tal vez pasaran más de 1.500 millones de años. ¿Por qué tardó tanto?

En parte, la respuesta parece ser que una serie de nuevas partes celulares y organización celular tuvieron que evolucionar, y cada una de ellas tomó tiempo. Quizás el desarrollo más importante fue un grado mucho más alto de organización dentro de la propia célula que el que se encuentra en las bacterias o los arcaeos. Gran parte de esta organización es el resultado de las estructuras del citoesqueleto. La recopilación del ADN de la célula en una región cerrada, el núcleo y la compartimentación de otros sistemas celulares en orgánulos cerrados fueron desviaciones radicales del diseño procariótico. Algunos científicos creen que esta compartimentación del interior de la célula también puede ser uno de los requisitos previos para el desarrollo de «metazoos complejos» (Animales y plantas superiores).

¿Cómo se produjo esta transformación evolutiva? La bióloga evolutiva Lynn Margulis y otros han argumentado que los eucariotas desarrollaron sus diversos orgánulos internos a través de un proceso que comenzó con la endosimbiosis, en la que un organismo vive dentro de otro. Este descubrimiento, ahora ampliamente aceptado, representa uno de los grandes triunfos de la biología del siglo XX. Hay muchos ejemplos de endosimbiosis en la actualidad; por ejemplo, las termitas y el ganado pueden digerir la dura celulosa de material vegetal o madera porque albergan, dentro de sus sistemas digestivos, bacterias que contienen enzimas capaces de descomponer el material leñoso. Estas bacterias, sin embargo, no se ven afectadas por las enzimas digestivas de la criatura huésped. La endosimbiosis puede haber sido el primer paso en la adquisición de los orgánulos de células eucarióticas importantes, a través del siguiente escenario.

En el pasado lejano, algunas eucariotas tempranas (Quizás ya dotadas de un núcleo, pero aún muy pequeñas y carentes de otros orgánulos) pueden haber ingerido rutinariamente otras células procariotas para la alimentación. Esto en sí mismo fue un gran avance sobre los procariotas, ya que requería la evolución de una pared celular externa que podría devorar, o fagocitar, otro material celular; en otras palabras, hizo posible la depredación. Algunas de estas células procariotas ingeridas, sin embargo, no se digirieron rápidamente y, por lo tanto, se destruyeron dentro de la célula huésped.

En su lugar, pueden haber vivido allí por algún tiempo. (Alternativamente, estos orgánulos pueden haber invadido la célula huésped, en lugar de ser capturados por ella; quizás se aburrieron y establecieron colonias parasitarias dentro de los entornos de células eucariotas más grandes). Finalmente, la célula huésped se benefició de esta asociación de alguna manera: Los procariotas, al ser fábricas químicas muy eficientes, pueden haber realizado servicios que el anfitrión no pudo realizar por sí mismo, como la transformación de energía o incluso la adquisición de energía, y las funciones metabólicas. Los orgánulos conocidos como mitocondrias (Que están involucrados en la formación y transformación de energía), los plástidos (Los sitios de clorofila) y quizás incluso los flagelos (Que se usan para la locomoción) pueden haber evolucionado de esta manera.

La evidencia principal de esta hipótesis proviene del ADN. Las mitocondrias y los plástidos contienen sus propias cadenas de ADN, que tienen una estructura más cercana al ADN procariótico que al eucariótico. Las mitocondrias pueden haber sido bacterias de vida libre que fueron capaces de oxidar carbohidratos simples a CO₂ y agua y liberar energía en el proceso. Existen bacterias vivas en la actualidad, como las formas conocidas como bacteria púrpura no del azufre, que pueden estar cerca de la forma mitocondrial ancestral. Cuando se incorporan a la célula anfitriona, estos «invitados» eventualmente pierden sus paredes celulares y se convierten en parte del anfitrión.

Con la adición de los orgánulos celulares, nuestro eucariota se acerca o alcanza un nivel de organización que nos resultaría familiar. Ahora podemos esbozar los pasos evolutivos necesarios para llegar al grado eucariota de organización. Comenzamos con una membrana celular que contiene ADN, una simple bolsa de protoplasma y ADN, y luego desarrollamos la capacidad de fagocitar (O engullir material), desarrollar un citoesqueleto (Lo que nos permite, entre otras cosas, aumentar de tamaño), desarrollar una respiración aeróbica, y luego llevar a nuestra bolsa mucho más grande varios orgánulos: mitocondrias, el núcleo, ribosomas, etc.

Este último es uno de los aspectos más interesantes y controvertidos de la evolución del tipo de célula eucariota. Se han propuesto pocos escenarios que tienen sentido evolutivo y adaptativo, pero el Dr. Joseph Kirschvink de Cal Tech ha descrito una posibilidad intrigante, que ha resumido los problemas que enfrenta el eucariota en evolución de la siguiente manera:

Los problemas para la célula huésped eucariótica son que:

1. El huésped debe ser lo suficientemente grande como para engullir otras bacterias.
2. La célula huésped debe ser capaz de fagocitosis, de modo que los invasores se introduzcan en una vacuola unida a la membrana (Un pequeño espacio dentro de la célula), lo que lleva a la membrana doble característica de las mitocondrias y los cloroplastos.
3. La célula debe tener al menos un citoesqueleto rudimentario.
4. La célula huésped debe ofrecer un entorno mejor y más controlado para los simbiontes, de modo que la selección natural favorezca la asociación.

La única bacteria conocida que cumple con todas estas restricciones se llama Magnetobacter, descubierta en Alemania, que empequeñece a la mayoría de los otros protistas (En tamaño). Cada célula de esta bacteria produce varios miles de orgánulos llamados magnetosomas, que son pequeños cristales del mineral magnetita (Fe3O4) encerrados en una burbuja de membrana, una burbuja que se forma por fagocitosis. Estos magnetosomas se mantienen en su lugar en estructuras en forma de cadena que mantienen a cada cristal alineado correctamente; Esto solo puede hacerse si existe una estructura de soporte mecánico intracelular como el citoesqueleto.

La Magnetobacter tiene la capacidad de mantenerse en el ambiente óptimo nadando a lo largo de las líneas del campo magnético generado por el campo magnético de la Tierra. Esta capacidad lo convierte en un socio atractivo para la simbiosis, ya que muchos organismos gastan gran parte de su energía metabólica en el ambiente correcto.

Este escenario para la evolución de la célula eucariota tiene dos implicaciones importantes para la sincronización de la vida superior en la Tierra. Primero, el camino más probable para la evolución de la magnetotaxis (La capacidad de alinearse a lo largo de los campos magnéticos) y la biomineralización de la magnetita (La formación de minerales por parte de los organismos vivos) es el resultado de la selección natural para el almacenamiento de hierro. Los microbios anaeróbicos no necesitan mecanismos de almacenamiento de hierro, ya que el hierro ferroso está disponible gratuitamente en solución.

Pero en ambientes ricos en oxígeno, el hierro oxida la forma [ferrosa], que se cae de la solución. Por lo tanto, es poco probable que la magnetotaxis evolucione en un mundo anaeróbico, que en la Tierra terminó hace unos 2.5 a 2 mil millones de años. El magnetofósil más antiguo, los restos fósiles de los magnetosomas bacterianos, datan de hace unos 2 mil millones de años. Segundo, la magnetotaxis requiere la presencia de un fuerte campo magnético planetario. En la Tierra, un fuerte campo temprano probablemente decayó después de hace 3.5 mil millones de años, solo para alcanzar su nivel actual después de la nucleación del núcleo interno hace unos 2.8 mil millones de años.

Kirschvink ha postulado así un nuevo escenario, y quizás el escenario más plausible, para la formación de la célula eucariota: Una vía que requiere la presencia de magnetita y un fuerte campo magnético planetario.

Como veremos en una entrada futura, no todos los planetas mantienen campos magnéticos. Si esta vía es la única vía para las células eucariotas grandes (Una hipótesis que aún está pendiente de verificación), entonces tenemos otro requisito que debemos imponer en los planetas que aspiran a albergar vida animal: Un campo magnético.

Condiciones ambientales que conducen a la evolución de los eucariotas

¿Qué condiciones ambientales llevaron a la evolución de los precursores de la vida animal? Los descubrimientos de los años 80 y 90 nos han dado una visión mucho más clara de la Tierra primitiva durante las grandes transiciones evolutivas que vimos en el último capítulo. La vida más temprana de la Tierra parece haberse formado durante o poco después del cese del pesado bombardeo de cometas. Hace unos 3.8 mil millones de años, ese intenso bombardeo cósmico terminó, y hace 3.5 mil millones de años encontramos la primera evidencia de vida fosilizada.

La región que ha producido los fósiles más antiguos de la Tierra encontrados hasta la fecha es conocida por los australianos como el Polo Norte, en Australia del Oeste, porque incluso en este continente aislado, es singularmente remoto e inhóspito. Las rocas en esta región pertenecen a una unidad de rocas sedimentarias y volcánicas intercaladas conocidas como la Serie Warrawoona.

Los geólogos han deducido que los depósitos se consolidaron en un mar poco profundo hace más de 3.5 mil millones de años. Existe evidencia de capas de tormenta y también pruebas de que, en ocasiones, un Sol caliente evaporó pequeñas piscinas de agua de mar en depósitos de salmuera. Pero no son estas estructuras las que han creado tanta emoción sobre las rocas de Warrawoona. Esta parte antigua de Australia alberga los estromatolitos más antiguos del mundo, los montículos bajos de cal y los sedimentos laminados que se han interpretado como restos de esterillas microbianas, en otras palabras, la vida.

Los estromatolitos (Los «colchones de piedra» mencionados antes como anomalías, procariotas multicelulares) son los fósiles más conspicuos y la evidencia de vida más comúnmente conservada durante más de 3 mil millones de años de la historia de la Tierra; Proporcionan nuestro mejor registro de vida temprana. Se han encontrado en todos los continentes en rocas de más de mil millones de años. Hoy en día, se encuentran en un solo tipo de ambiente en la Tierra, en aguas tropicales tranquilas y salobre.

Tales ambientes son refugios de algal-grazers (Perdón, no conozco el término en español, y creo que pastores de algas, no es adecuado); los estromatolitos ya no pueden existir en la mayor parte de la superficie de nuestro planeta porque se los comerían rápidamente. Las bacterias fotosintetizantes denominadas cianobacterias son equivalentes modernos de estos depósitos antiguos.

La presencia de estromatolitos es un indicio seguro de que hace 3.5 mil millones de años, la vida en este planeta había dejado sus entornos más tempranos, probablemente hidrotérmicos o de tierras profundas, y se había diversificado en la superficie del planeta. Durante mil millones de años, los procariotas fueron maestros del mundo, pero la vida aún estaba dispersa. Según el registro fósil, no fue hasta hace unos 2.5 mil millones de años que los organismos que producían estromatolitos habían liberado cantidades suficientes de oxígeno para formar depósitos sedimentarios conocidos como formaciones de hierro en bandas. Antes de la aparición de estromatolitos comunes, no había oxígeno disuelto en el mar, no había oxígeno gaseoso en la atmósfera y, por lo tanto, no había posibilidad de oxidación mineral. Sin embargo, con la aparición de oxígeno, grandes volúmenes de hierro que se habían disuelto en el agua de mar se precipitaron a medida que se oxidaba en óxidos de hierro, es decir, óxido. Hoy en día, todavía existen al menos 600 billones de toneladas de tales óxidos de hierro depositados antes de hace 2.5 mil millones de años en estas formaciones de hierro en bandas.

El intervalo de tiempo que comenzó hace unos 2.5 mil millones de años está marcado por un cambio en la naturaleza tectónica del planeta Tierra, su tasa de construcción de montañas y la deriva continental. Para entonces, la producción de calor de los elementos radiactivos encerrados en las rocas de la Tierra había disminuido, ya que algunos de los elementos radiactivos decayeron rápidamente a principios de la historia de la Tierra. Este material era como una cantidad finita de combustible en el interior del planeta y, a medida que se agotaba, el flujo de calor disminuía. Resulta que los procesos de la deriva continental y la construcción de montañas son subproductos del calor que se eleva desde el interior de la Tierra, y a medida que la cantidad de calor disminuyó con el tiempo, también lo hicieron estas dos actividades. También hay algunas pruebas de que alrededor de este tiempo, se produjo un importante impulso de formación de la tierra, lo que permitió la formación de grandes masas de tierra continental. A medida que se formaron los nuevos continentes, se crearon muchos hábitats de aguas poco profundas, que resultaron ser entornos favorables para el crecimiento de bacterias fotosintéticas. Podemos especular que desde hace unos 4 mil millones a unos 2.5 mil millones de años, hubo pocos continentes grandes, pero numerosas cadenas de islas volcánicas salpicaron el mundo. Después de hace 2.5 mil millones de años, las masas terrestres continentales comenzaron a formarse y el volcanismo a escala global disminuyó.

Con este aumento de hábitat, crecieron y florecieron cada vez más estromatolitos. Esto, a su vez, bombea implacablemente cada vez más oxígeno al mar. Mientras haya hierro disuelto en el agua de mar, todo el oxígeno liberado se encerró rápidamente en las formaciones de hierro en bandas. Sin embargo, hace unos 1.8 mil millones de años, esta reserva de material de hierro disuelto se agotó. Sabemos esto porque después de ese tiempo, no se formaron más formaciones de hierro en bandas. Este cambio dejó una marca indeleble en el registro sedimentario de la Tierra, ya que a medida que el mar se saturaba con oxígeno, el tiempo de las formaciones de hierro en bandas terminaba para siempre, o al menos hasta un futuro muy lejano en el que nuestro planeta podría ya no tener oxígeno. Sin tener a dónde ir, el oxígeno comenzó a emerger a la atmósfera de nuestro planeta y, al hacerlo, probablemente dio a la vida su primer impulso hacia la vida animal.

La Revolución del Oxígeno

Probablemente sea imposible para nosotros concebir cuán totalmente ajeno a nuestro mundo era realmente este escenario. Sin embargo, el extraño mundo microbiano de hace 2 mil millones de años puede ser la norma en el Universo para aquellos planetas que albergan vida. Aún existen indicios de ello, aquí en la Tierra, en las espumas bacterianas y escoria de estanques que persisten en todo nuestro planeta, y tal vez en ningún lugar más prolíficamente que en los basureros y vertederos de basura creados por nuestra propia especie, lugares donde hay enormes colonias visibles. Las bacterias en crecimiento todavía existen. Pero la mancha de arco iris del pantano rezumado es la excepción en un mundo donde los eucariotas son mucho más evidentes que las formas procarióticas. ¿Cómo sería ese mundo de 2 mil millones de años atrás? La mejor descripción que conocemos fue escrita por dos científicos que han viajado de regreso a este mundo, en su imaginación, muchas veces. Le debemos la siguiente imagen de la antigua era del Proterozoico (El nombre formal para el intervalo de tiempo de 2.5 a 0.5 mil millones de años) a Lynn Margulis y Dorion Sagan, en su libro Microcosmos: Four Billion Years of Microbial Evolution:

“Para un observador casual, el mundo Proterozoico primitivo habría parecido en gran parte plano y húmedo, un paisaje extraño pero familiar, con volcanes humeantes en el fondo y abundantes lagos poco profundas de colores brillantes y misteriosas manchas de escoria verdosas y parduzcas que flotaban en las aguas a las orillas de los ríos, contaminando los suelos húmedos como finos moldes. Un brillo rojizo cubriría las aguas llenas de hedor. Encogido hasta la perspectiva microscópica, se vería un fantástico paisaje de flotantes esferas de color púrpura, aguamarina, roja y amarilla. Dentro de las esferas violetas de Thiocapsa, glóbulos amarillos suspendidos de azufre emitirían burbujas de gas. Las colonias de organismos viscosos envueltos se extenderían hasta el horizonte. Un extremo pegado a las rocas, el otro extremo de algunas bacterias, se insinuarían dentro de pequeñas grietas y comenzarían a penetrar en la roca. Filamentos largos y delgados dejarían la manada de sus hermanos, deslizándose lentamente, en busca de un lugar mejor en el sol. Los látigos bacterianos que se retorcían en forma de sacacorchos o pasta fusilli se lanzaban. Filamentos multicelulares y multitudes de células bacterianas pegajosas y de tipo textil ondularían con las corrientes, cubriendo guijarros con brillantes tonos de rojo, rosa, amarillo y verde. Lluvias de esferas, sopladas por la brisa, salpicarían y se estrellarían contra la vasta frontera de barro y aguas bajas.”

Este mundo procariótico estaba creando lo que se ha llamado la revolución del oxígeno. El inicio de una atmósfera oxigenada fue uno de los más importantes de todos los eventos biológicamente mediados en la Tierra. Las bacterias procarióticas, que utilizan solo la luz solar, el agua y el dióxido de carbono, finalmente transformaron el planeta al generar un volumen cada vez mayor de oxígeno atmosférico. Este flujo de oxígeno creó oportunidades bióticas y crisis bióticas. Muchos de los organismos primitivos de la Tierra eran metabólicamente incapaces de tratar con abundante oxígeno. Para la mayoría de los arcaeanos, el auge de oxígeno de hace aproximadamente 2 mil millones de años fue un desastre ambiental, lo que llevó a algunas especies a hábitats sin aire, como los fondos de los lagos y los océanos estancados, los sedimentos y los organismos muertos.

Otros eran incapaces de tal migración y simplemente se extinguieron. Para otras criaturas, sin embargo, el cambio profundo en las condiciones atmosféricas creó nuevas oportunidades. Algunas células procarióticas comenzaron a explotar el enorme poder del metabolismo del oxígeno para descomponer las fuentes de alimentos en dióxido de carbono y agua. Esta nueva vía metabólica produjo mucha más energía que cualquiera de las vías anaeróbicas. Los organismos que lo adoptaron pronto comenzaron a apoderarse del mundo. Los más eficientes de estos fueron miembros del dominio Eucarya, que, hace más de 2 mil millones de años, evolucionó como verdadera maquinaria de células eucariotas.

Los fósiles más antiguos conocidos de un organismo que parece haber alcanzado el grado de organización eucariótico se han encontrado en depósitos de hierro en bandas ubicados en Michigan. Los fósiles en sí tienen aproximadamente 1 milímetro de diámetro y se encuentran en cadenas de hasta 90 milímetros de largo. El organismo, entonces, es demasiado grande para ser un procariota unicelular o incluso un eucariota unicelular. Esta criatura, que ha sido llamada Grypania, se conserva como películas enrolladas de carbono en los planos de lecho de roca sedimentaria lisa, los lugares donde los lechos sedimentarios se dividen. Su descubrimiento en 1992 indica que la evolución de la primera célula eucariota ocurrió durante el proceso de formación de hierro en bandas, cuando aún había poco oxígeno libre en el mar y probablemente ninguno en la atmósfera. Estos eucariotas tempranos pueden haber sido muy raros, ya que otros eucariotas no aparecen en el registro fósil durante 500 millones de años después de esta primera aparición, pero con esta forma, se había establecido una cabeza de playa en el avance de la vida.

Para el período entre 2 y mil millones de años (Ver la siguiente imagen), pocos logros notables de la vida se registran como fósiles en las rocas. La primera aparición común de los eucariotas comienza hace unos 1.6 mil millones de años, cuando los fósiles microscópicos llamados acritarcos comienzan a aparecer en el registro geológico. Estos son fósiles esféricos con paredes celulares orgánicas relativamente gruesas. Se interpretan como restos de algas planctónicas, formas que utilizaban la fotosíntesis y vivían en las aguas poco profundas de los océanos del mundo. Otras formas de vida también evolucionaron, pero como ocurre con la mayoría de los protistas vivos, como la ameba y el paramecio, su falta de esqueletos los hace invisibles en el registro fósil. Con una proliferación de formas similares a las plantas, seguramente evolucionaron nuevas variedades de protistas depredadores. Armadas enteras de pastizales flotantes unicelulares y los pastores algo más grandes y más móviles en estos campos de plancton vivieron y murieron en esta época aparentemente interminable del tiempo geológico. El océano abierto habría tenido poca vida, pero las regiones costeras más ricas en nutrientes habrían estado inundadas de vida: vida microscópica. Fue la Era de los Protistas, la Era de los Pequeños.

Hemos llegado a hace mil millones de años, en nuestra marcha a través del tiempo evolutivo. Finalmente, el ritmo del desarrollo evolutivo aumentó, si estamos interpretando correctamente el registro fósil, ya que hay una creciente cantidad de especies eucarióticas encontradas en el registro de rocas en este momento. Algunas de estas nuevas formas incluyen las primeras algas rojas y verdes, formas aún cruciales y variadas en los ecosistemas marinos. Esta diversificación de las especies eucariotas, incluidos los protozoarios y las plantas, establece el escenario para la evolución de formas multicelulares más grandes y puede haber sido desencadenada por la evolución de nuevas morfologías importantes dentro de la célula eucariótica.

Evolución en Forma y Función Eukariótica

Cuatro innovaciones biológicas pueden haber sido especialmente importantes al allanar el camino para el surgimiento de animales más grandes: (1) El desarrollo de ciclos sexuales; (2) Nuevos métodos de barajar información codificada a lo largo de los cromosomas (A través de la capacidad naciente de extirpar y reubicar secuencias genéticas completas); (3) Nuevos métodos de comunicación entre las células a través de sustancias llamadas proteínas quinasas, y (4) El desarrollo de un nuevo tipo de esqueleto intracelular, llamado citoesqueleto, que permitió que las células eucariotas aumentaran enormemente de tamaño. Estas innovaciones mejoraron en gran medida la capacidad de las células para desarrollar nuevas morfologías en respuesta a la selección natural y su capacidad para unirse en criaturas multicelulares.

Ahora podemos categorizar mejor lo que llamamos vida «avanzada»: Organismos multicelulares eucarióticos. Hay, por supuesto, muchos tipos de organismos multicelulares, incluyendo un número considerable de formas procarióticas. En la mayoría de los casos, estos procariotas multicelulares se componen de solo dos tipos de células. Los moldes de limo celular son multicelulares, al igual que algunas cianobacterias. En cierto modo, sin embargo, estas formas son callejones sin salida evolutivos. Han existido en la Tierra durante varios miles de millones de años y son muy conservadores en un sentido evolutivo. Son las criaturas multicelulares de la otra categoría las que se hicieron tan importantes en la historia de la vida. Nos referimos aquí a los verdaderos metazoos.

El salto de organismos unicelulares a organismos de múltiples células requiere numerosos pasos evolutivos. El salto de organismos unicelulares a animales metazoos, donde existe un alto grado de cooperación intercelular en la organización, implica aún más. En su libro Cells, Embryos and Evolution, los biólogos John Gerhart y Marc Kirschner discuten este logro evolutivo. El primer paso, argumentan, parece casi paradójico: No fue una nueva estructura ganada lo que permitió esta transición, sino una importante estructura perdida. Hace mucho tiempo, en el pasado de nuestro planeta, algún organismo del linaje eucariota realizó un cambio morfológico valiente (O afortunado): Se desprendió de su pared celular externa. Aún no está claro por qué ocurrió esto, pero el efecto neto fue de gran alcance. Un revestimiento externo resistente protege a la mayoría de las criaturas unicelulares de su entorno circundante. Al mismo tiempo, sin embargo, aísla estas células de otros miembros de su propia clase. Al desprenderse de esta pared exterior, las células individuales podrían comenzar a intercambiar material vivo e información entre sí. Las células desnudas podrían adherirse unas a otras, arrastrarse unas sobre otras y comunicarse. Estos fueron los primeros pasos en la formación de un tejido, que es una agregación de células unidas para beneficio mutuo.

Los animales más grandes requieren sistemas de células altamente integrados que puedan cumplir las innumerables funciones necesarias para toda la vida. La respiración, la alimentación, la reproducción, la eliminación de material de desecho, la recepción de información, la locomoción, requieren la integración de muchas células que actúan en concierto. Cada una de estas funciones requiere, en última instancia, uno o varios tipos de tejidos.

Entre los tipos de tejido, la pared exterior de cualquier organismo (El epitelio) es de suma importancia. El epitelio debe proteger al organismo de los rigores del ambiente externo, pero al mismo tiempo permite la adsorción de gases críticos y, a veces, de nutrientes. La evolución del epitelio fue un primer paso decisivo en la evolución de los metazoos.

¿Qué grupo de criaturas unicelulares primero logró este avance? El más primitivo y enigmático de los metazoos eucariotas más grandes son las esponjas. Estas curiosas criaturas parecen cerrar la brecha entre los eucariotas de una sola hoja o incluso los protozoos coloniales y los filamentos de metazoos de invertebrados altamente integrados. Las esponjas tienen varios tipos de células que realizan tareas especializadas, pero hay un nivel muy bajo de organización en todo el organismo. No hay una cavidad intestinal o corporal especializada para procesar alimentos, ni tampoco hay ningún sistema nervioso. Sin embargo, las esponjas pueden ser una pista importante para la identidad de nuestros antepasados metazoos reales.

El metazoo del tallo, o ancestral, probablemente tenía un número mayor de tipos de células que de esponjas (Quizás 10 a 15 en lugar de los 3 a 5 tipos de células individuales que se encuentran en las esponjas). Probablemente había una cavidad del cuerpo de algún tipo segregada en dos capas celulares: un ectodermo externo y un endodermo que mira hacia adentro. Este plan de dos tejidos parece haber sido un callejón sin salida evolutivo, y no fue hasta que se agregó una tercera capa, el mesodermo, que se formaron los animales con una complejidad interna real. Con el tiempo, evolucionó una pequeña forma de gusano con tres capas de tejido, una criatura con una tripa que recorre el eje longitudinal del cuerpo y un espacio separado conocido como celoma, para servir como un esqueleto hidrostático interno. Con este diminuto organismo (El primero puede haber tenido menos de un milímetro de longitud), la etapa evolutiva se estableció para el surgimiento de animales en el planeta Tierra.

Las dos diversificaciones de Phyla animal

Con el advenimiento de esta forma, lo que los biólogos evolutivos denominan «gusano plano redondeado», se estableció un plan corporal que podría modificarse para dar forma a todas las categorías de la vida del metazoo, los principales planes corporales que llamamos phyla. Los phyla que viven hoy incluyen los artrópodos; los moluscos los equinodermos; nuestro propio grupo, los cordados; y unos 25 más. Estos son los metazoos complejos que esperamos encontrar, pero que pueden ser muy raros, en otros planetas. Estos son animales. Aparecieron relativamente tarde en la historia de la vida en la Tierra. Una de las grandes ideas novedosas de la década de 1990 fue que nos dimos cuenta de que su origen y su posterior diversificación y aumento a la abundancia fueron dos eventos separados, no uno, como se creía desde la época de Charles Darwin.

Los fósiles de animales macroscópicos (Los que son visibles a simple vista) aparecen por primera vez en abundancia hace menos de 600 millones de años, durante la «Explosión Cámbrica», un evento de diversificación que resultó en la rápida formación de miles de nuevas especies; Lo describiremos con más detalle en una de las próximas entradas. Sin embargo, la aparición de abundantes fósiles de animales en este momento en realidad marca el segundo de los dos eventos de diversificación que llevaron a la proliferación de animales más grandes en el planeta. Como se ha visto, los fósiles de animales complejos como trilobites y moluscos, miembros comunes de la Explosión Cámbrica, son descendientes avanzados de un evento de diversificación mucho más temprano que tuvo lugar hace entre mil millones y 600 millones de años. Sin embargo, no hay un registro fósil de esta primera diversificación: Los paleontólogos se han visto obstaculizados por una falta casi competitiva de fósiles en estratos de más de 600 millones de años, cuando este evento inicial debe haber tenido lugar. Nuestra comprensión de la diversificación inicial de los animales no proviene de la paleontología sino de una línea de investigación completamente diferente: La genética. Los genetistas han llegado a las respuestas sobre el «cuándo» del primer evento de diversificación al examinar el código genético de los animales vivos a través de una técnica llamada análisis de ARN ribosomal.

Las secuencias de genes son simplemente cadenas de pares de bases alineadas a lo largo de la doble hélice de una molécula de ADN. Si una molécula de ADN se compara con una escalera retorcida, los pares de bases pueden considerarse los escalones de la escalera, y es la secuencia de los pasos que se utiliza en este tipo de análisis. Los genes son simplemente instrucciones para la formación de proteínas codificadas por la secuencia de nucleótidos en la escala de ADN. Solo hay cuatro tipos de nucleótidos, pero proporcionan el código genético que es la base de toda la vida de la Tierra. Todos los organismos comparten más genes con sus ancestros que con especies no relacionadas. Al comparar los genes de varios organismos, es posible producir un modelo de historia evolutiva (Un árbol evolutivo, por así decirlo) con las ramas del árbol que muestran qué especies dieron lugar a qué otras especies. Sin embargo, según muchos genetistas, tal análisis no solo nos dice cómo se produjo la ramificación, sino que también nos puede decir cuándo.

En 1996, G. Wray, J. Levinton y L. Shapiro publicaron un artículo (Molecular Evidence for Deep Precambrian Divergences Among Metazoan Phyla) en el que afirmaban, basándose en los resultados obtenidos mediante el uso de esta técnica genética, que el primer evento, la primera divergencia de los animales, ocurrió hace 1.2 mil millones de años. Este resultado provocó un jadeo colectivo de la fraternidad paleontológica: parecía demasiado antiguo. El supuesto fundamental de Wray et al. es que las secuencias de genes evolucionan con suficiente regularidad para que una especie de «reloj» molecular pueda usarse para fechar la divergencia de varios grupos. El razonamiento detrás de la técnica del reloj molecular es que los cambios en el código genético (La evolución, en otras palabras) ocurren a una velocidad bastante constante. Cuanto más distintas son las dos secuencias de ADN, más tiempo ha pasado desde que se separaron de un ancestro común. Sin embargo, otros científicos cuestionan que los cambios en la frecuencia de los genes se producen a un ritmo constante y, por lo tanto, no creen en el reloj molecular. Son estos datos del reloj molecular los que llevaron al grupo Wray a su conclusión. Este hallazgo fue una bomba. Si los animales evolucionaron tan temprano, ¿Por qué no aparecieron en el registro fósil hasta hace menos de 600 millones de años? ¿Qué estaban haciendo durante tanto tiempo?

Los hallazgos del grupo Wray fueron extremadamente controvertidos, no solo porque contradecían el dogma paleontológico establecido, sino también porque provocaban críticas entre otros genetistas. Existe un debate feroz entre los genetistas sobre la fiabilidad de la técnica del reloj molecular. El propio estudio de Wray arrojó cifras mínimas y máximas para la primera divergencia. Un grupo de genes sugirió que la división fundamental del filo formado por anélidos (Gusanos) del phylum de cordados (Nuestro phylum) ocurrió hace solo 773 millones de años, mientras que un segundo grupo de genes (En los mismos organismos) surgió hace 1621 millones, (Una propagación muy amplia, de hecho). Estos resultados nos dan las edades mínimas y máximas para la divergencia. Sin embargo, incluso con la cifra mínima, hubo acordes y anélidos reconocibles (De acuerdo con los datos moleculares) hace 700 millones de años, pero no hay rastro de su presencia en el registro fósil. ¿Dónde estaban ellos? ¿O no estaban allí en absoluto? ¿Podría ser que no sobrevivan las rocas de esta edad o que no se hayan conservado fósiles del intervalo de alrededor de mil millones de años a menos de 600 millones de años? Esto parece estar estirando las cosas, como lo sugirió el paleontólogo británico Simon Conway Morris:

“Los llamamientos a las lagunas en el registro de rocas y al metamorfismo generalizado de los sedimentos no van a funcionar: si había grandes metazoos capaces de fosilizarse o dejar rastros, tenían una extraña habilidad para evitar áreas de alto potencial de conservación.”

Desde el original y tentador análisis del grupo de Wray, otros genetistas han reconsiderado los datos básicos. La mayoría admite que la cifra de 1.2 mil millones de años es demasiado antigua. (Sin embargo, un informe publicado en la revista Science a fines de 1998 (Triploblastic Animals More Than 1 Billion Years Ago) por un equipo encabezado por Adolf Seilacher de la Universidad de Yale anunció el descubrimiento de fósiles traza (Huellas de gusanos) de miles de años de antigüedad, posiblemente derivados de organismos pequeños similares a gusanos. Este hallazgo sugiere que las marcas en cuestión podrían haber sido producidas con la misma facilidad por acciones inorgánicas, e incluso si los fósiles de este rastro hubieran sido producidos por organismos, la pregunta sigue siendo: ¿Por qué no se encuentran más fósiles de este tipo para cientos de millones de años? Digamos, entonces, que la divergencia ocurrió hace menos de mil millones de años. Todavía debemos dar cuenta de un período importante de tiempo con los animales, pero sin fósiles. Los paleontólogos han creído durante mucho tiempo que solo ocurrió un evento de diversificación importante: El evento coincidió con la aparición de fósiles, la llamada explosión cámbrica que comenzó hace unos 550 millones de años. Ahora este evento evolutivo se ve como un seguimiento del primer evento mucho más temprano.

La respuesta a este enigma aparente es que los animales estaban efectivamente presentes, pero eran tan pequeños que eran esencialmente invisibles en el registro fósil. Un reciente y espectacular descubrimiento de embriones microscópicos de animales fósiles parece confirmar esta visión. Usando técnicas desarrolladas de búsqueda de animales pequeños (Pero complejos) en minerales llamados fosfatos, el paleontólogo Andrew H. Knoll y sus colegas descubrieron una serie de fósiles diminutos, pero bellamente conservados, interpretados como embriones de triploblastos de 570 millones de años, animales Con tres capas corporales, como la mayoría de las encontradas hoy. Estos fósiles nos dicen que los antepasados de los phylum modernos estuvieron presentes al menos 50 millones de años antes de que encontráramos un registro fósil convencional de ellos. La combinación de información genética y nuevos descubrimientos del registro fósil ahora nos da una visión sólida del aumento de los animales: No existían hace mil millones de años, y quizás no hace 750 millones de años. Los animales, de hecho, llegaron de manera tardía al escenario de la vida en la Tierra.

Gracias a estos descubrimientos e interpretaciones, la pregunta de «cuándo» ha sido respondida a satisfacción de la mayoría de las personas: El surgimiento de animales fue un evento de dos etapas. La etapa inicial parece haber ocurrido menos que los mil millones de años propuestos por Wray y sus colegas. Pero incluso recalibrado, el hallazgo del grupo Wray nos ha dado otra visión tentadora de la posible incidencia de la vida animal en el Universo. El trabajo de Wray confirma que efectivamente hubo dos «explosiones». La primera fue la diferenciación real de los diversos planes corporales; el segundo fue la diferenciación y evolución, en estos diversos phylum, de especies lo suficientemente grandes y abundantes como para ingresar al registro fósil. Los genetistas pueden demostrar que los genes de los gusanos anélidos y los genes de cordados se diferenciaron cientos de millones de años antes de la aparición de estas criaturas como grandes entidades que podrían aparecer en el registro fósil. Esto nos lleva a formular una pregunta crucial: Incluso si evolucionan, ¿Los animales necesariamente o inherentemente continúan diversificándose, agrandándose y sobreviviendo? ¿El segundo florecimiento de la vida animal, el evento de Explosión del Cámbrico conocido por los geólogos, sigue inevitablemente la primera diversificación, o es otro umbral de posibilidad que puede alcanzarse (Pero no necesariamente)? Tal vez en algunos mundos en el Universo, los animales se diversifican, pero nunca alcanzan un tamaño mayor y un número mayor en algún equivalente de explosión cámbrica. Esta visión particular fue expresada por primera vez por el paleontólogo Simon Conway Morris (The Crucible of Creation: The Burgess Shale and the Rise of Animals):

“Necesitamos discutir hasta qué punto la historia del metazoo estuvo implícita hace mil millones de años, al menos en líneas generales, en oposición a lo que fue inevitable 500 millones de años después del inicio de la explosión cámbrica. Incluso si los metazoos tienen una historia profunda, que paleontológicamente sigue siendo críptica, los organismos reales habrían sido de un tamaño milimétrico y quizás sin el potencial de tamaño macroscópico y ecología compleja… Wray et al. Pueden haber estado en lo correcto en rastrear la pólvora hasta las nieblas del Neoproterozoico (El período de Precámbrico tardío de hace mil millones de años), pero el propio barril todavía parece como si explotara en el Cámbrico.”

En otras palabras, parece que el desarrollo de los animales fue un proceso de dos pasos, con el paso dos, la Explosión Cámbrica, que no es necesariamente un resultado predeterminado por la diferenciación inicial de los phylum animales.

Una y otra vez surge la misma pregunta: ¿Por qué tardaron tanto tiempo en surgir animales en el planeta Tierra? ¿Se debió a factores ambientales externos, como la falta de oxígeno durante tanto tiempo en la historia de este planeta, o a factores biológicos, como la ausencia de innovaciones morfológicas o fisiológicas clave?

La Evolución de los Animales

Los animales complejos seguramente no pueden aparecer en ningún planeta sin seguir algún camino evolutivo de organismos unicelulares más simples. El cambio de microorganismos unicelulares a criaturas multicelulares debe ser la ruta común en cualquier planeta, e incluso si las moléculas de la vida son diferentes de un mundo a otro, el camino de lo simple a lo complejo puede ser universal. Debido a esto, el ejemplo de cómo evolucionaron los animales en nuestra Tierra puede ser de la mayor importancia para comprender la frecuencia con la que los animales ocurren en otros planetas.

Si queremos entender cómo evolucionaron los animales a partir de ancestros unicelulares, primero debemos entender los entornos donde se realizaron estos avances evolutivos monumentales. Sabemos bien el «cuándo» de este cambio: Tuvo lugar durante un intervalo de 500 millones de años, de hace mil millones a 550 millones de años. El segundo evento, la explosión cámbrica de entre 550 y 500 millones de años, incluyó la diversificación morfológica de los phylum en subdivisiones basadas en los planes corporales, así como la aparición, dentro de los diversos phylum, de especies con esqueletos y gran tamaño.

Durante este intervalo de tiempo, la Tierra experimentó importantes cambios ambientales, entre ellos edades de hielo de un impacto sin precedentes, rápidos movimientos continentales y cambios drásticos en la química oceánica. Por lo tanto, nos quedamos con preguntas desconcertantes: ¿Los cambios ambientales de este intervalo provocaron de alguna manera la diversificación de los animales? ¿O el auge de los animales se habría producido incluso en ausencia de estos profundos cambios ambientales? Estas preguntas, que, por supuesto son fundamentales para comprender la evolución de la vida en nuestro planeta, tienen una gran relevancia para comprender también la frecuencia de la vida animal en otros planetas. ¿La vida animal siempre (O incluso comúnmente) evoluciona, una vez que aparece un antepasado adecuado? ¿O es necesario que haya un desencadenante adicional de algún tipo, una secuencia de pasos ambientales? Podríamos comparar todo este proceso para hornear un pastel. Digamos que los ingredientes para la masa estaban todos ensamblados y mezclados hace mil millones de años. ¿Es necesario cocinar el pastel durante un tiempo dado a una temperatura altamente restringida para poder subir? ¿O cualquier cantidad de cocción a cualquier temperatura realizará la tarea igual de bien? ¿O se completará nuestro pastel sin ningún tipo de cocción? (Es decir, ¿El simple hecho de ensamblar los ingredientes en un batido garantiza el éxito?).

El comienzo de este período fecundo en la historia de la Tierra está marcado por la aparición no de nuevos tipos de animales, sino de plantas. Hace aproximadamente mil millones de años, muchos tipos de algas comienzan a aparecer en el registro fósil, incluidas las algas verdes y rojas que todavía son tan prominentes en la Tierra hoy en día. Estos no eran los ancestros de los animales, por supuesto, pero su apariencia era la salva de apertura de un asalto evolutivo que fue el más importante hasta ese momento. Fue seguido, cientos de millones de años más tarde, primero por la diversificación inicial de los filos animales y luego (Después de más de cientos de millones de años) por la explosión cámbrica de la vida animal.

¿Cuáles fueron los eventos ambientales de este intervalo de tiempo de mil millones a 600 millones de años? Para este período, las masas de tierra que se aproximaban al tamaño de los continentes de hoy se habían formado, y el área total de tierra en el planeta puede no haber sido significativamente diferente de lo que vemos hoy en día. La superficie, sin embargo, no era un lugar tranquilo. El período fue uno de la construcción de montañas y la deriva continental. También estuvo marcado por episodios de glaciación continental sin igual desde entonces. ¿Estos eventos tuvieron algo que ver con la diversificación de los animales? Una escuela de pensamiento dice que sí. El trabajo de Martin Brasier (Darwin’s Lost World: The Hidden History of Animal Life) sugiere que los rápidos cambios en el nivel del mar, y especialmente la formación de mares amplios y poco profundos en los nuevos continentes, habrían abierto muchos hábitats nuevos muy hospitalarios en términos de temperatura y nutrientes. Esto, a su vez, puede haber estimulado la diversificación de animales y plantas. Hay disidentes, especialmente James Valentine, que advierte, “el vínculo entre la tectónica de placas… y los orígenes y la radiación de los animales quedan por ser demostrados». Pero, como señala el paleobiólogo Andrew H. Knoll, hay otra manera en que los nuevos y activos eventos tectónicos podrían haber influido en la radiación inicial de los animales que se produjo durante este tiempo. Knoll observó que “los procesos tectónicos podrían haber influido en una o más de las grandes radiaciones (De los animales) … a través de su participación en los ciclos biogeoquímicos que regulan los ambientes de la superficie de la Tierra».

Ejemplos de tales efectos incluyen el papel de las influencias hidrotermales en la química oceánica. Los respiraderos hidrotermales, como vimos en la entrada “¿Por qué la vida debe estar dispersa en el Universo?”, son regiones submarinas donde se mezclan grandes volúmenes de agua caliente y químicamente distintiva con el agua de mar. La cantidad de agua de origen volcánico que entró en los océanos fluctuó durante el intervalo de mil millones a 550 millones de años, y estas fluctuaciones tuvieron efectos marcados en la química del agua de mar, en la composición de la atmósfera y en el clima. Los eventos tectónicos también afectaron la tasa de enterramiento y exhumación de carbono orgánico en los sedimentos. Los valores de oxígeno y dióxido de carbono cambiaron, y al hacerlo, se produjeron cambios importantes en la temperatura y la oxigenación del planeta.

Otro estímulo ambiental también puede haber contribuido a la diversificación inicial de los animales. Los cambios en la química oceánica causados por el aumento de la actividad tectónica a partir de mil millones de años facilitaron la evolución de los esqueletos. Este período está marcado por la aparición de rocas llamadas fosforitas. Algunos autores atribuyen a estas rocas el aumento de la fertilidad de los océanos en este momento, lo que a su vez podría haber ayudado a desencadenar la aparición repentina de muchos animales diversos desde hace unos 600 millones de años. El fósforo está mucho más concentrado en los seres vivos que en el ambiente, por lo que es un nutriente limitante. La repentina presencia de abundantes fuentes de este elemento podría haber actuado como un verdadero fertilizante para el crecimiento.

Knoll ha discutido todos estos factores dispares y ha propuesto tres alternativas. Primero, puede ser que los eventos físicos complejos y la serie igualmente compleja de eventos biológicos que ocurrieron de hace mil millones a 550 millones de años son simplemente una coincidencia: No tenían nada que ver entre sí. Si esto es cierto, la gran diversificación biológica debe atribuirse únicamente a las innovaciones biológicas (Como la capacidad de las células para unirse, construir una pared celular externa y desarrollar una cooperación interna entre las células contenidas) que no estaban relacionadas con los cambios de entorno concurrentes.

La segunda alternativa es que la evolución fue facilitada por cambios en el entorno físico. El más importante de estos cambios puede haber sido en los niveles de oxígeno. La primera aparición de metazoos más grandes, los ediacaranos, hace unos 600 millones de años ocurrió inmediatamente después de un aumento repentino en el oxígeno atmosférico (La evidencia de esto proviene de isótopos estables). Por lo tanto, puede ser que la diversificación animal inicial de hace unos 700 millones de años fue en sí misma una respuesta al nivel de oxígeno que alcanzó un umbral crítico.

La tercera alternativa es que las revoluciones biológicas en sí desencadenaron algunos eventos físicos, ¡Justo lo contrario de la alternativa dos! En este escenario, el uso común de caparazones de carbonato de calcio por parte de animales recién evolucionados cambió la forma en que se distribuía el calcio en los océanos. De manera similar, los organismos pueden haber favorecido la formación de fósforo, y no al revés: La presencia de muchos organismos puede haber cambiado la fisicoquímica del ambiente oceánico, aumentando la formación de este tipo de mineral.

Knoll se inclina hacia la última alternativa. Subraya que la primera radiación evolutiva importante entre protistas y algas (Hace aproximadamente mil millones de años) puede haber ocurrido debido a la primera evolución de la reproducción sexual. La “invención” del sexo, en lugar de un desencadenante ambiental, avivó los fuegos de la diversificación. Pero Knoll también reconoce el papel central de la oxigenación en la evolución de los animales más grandes. Sin oxígeno, los animales más grandes nunca podrían haber evolucionado, y la oxigenación durante este intervalo fue facilitada por procesos tectónicos, específicamente, el papel de los cambios en el nivel del mar y la erosión de los continentes en ciclos geoquímicos complejos. Por una variedad de razones fisiológicas, el oxígeno es clave para la aparición de animales más grandes; El metabolismo de los animales requiere oxígeno.

De hecho, podríamos preguntarnos si la oxigenación y, por tanto, el auge de los animales, se habrían producido en un mundo en el que no había continentes que erosionar. Quizás los «mundos del agua» son, en última instancia, contrarios a la vida animal. Pero puede haber incluso más cambios repentinos y catastróficos que los enumerados por Knoll, los cambios más importantes y dramáticos en la temperatura planetaria. La evidencia descubierta a fines de la década de 1990 ha conducido a un nuevo concepto radical: que la Tierra se congeló casi por completo al menos dos veces en su historia, una vez hace 2.5 mil millones de años y una segunda vez (Tal vez repetidamente) durante el intervalo de hace 800 a 600 millones. Estos tiempos de intenso frío global, cuando incluso los océanos estaban cubiertos de hielo, se conocen como la Tierra Bola de Nieve.

Su importancia biológica se explora en una de las próximas entradas, esperando, finos y leales lectores, que este tema, también sea de su interés.