Un árbol tiene algo en común con las malas hierbas y los hongos que crecen alrededor de sus raíces, las ardillas trepando por su tronco, los pájaros posados ​​en sus ramas y el fotógrafo que toma fotografías de la escena. Todos tienen genomas y maquinaria celular cuidadosamente empaquetados en compartimentos rodeados de membranas, un sistema organizativo que los ubica en un grupo de formas de vida inmensamente exitoso llamado eucariotas.

La historia temprana de los eucariotas ha fascinado durante mucho tiempo a los científicos que anhelan comprender cuándo comenzó la vida moderna y cómo evolucionó. Pero rastrear a los primeros eucariotas a lo largo de la historia de la Tierra ha sido difícil. Los datos fósiles limitados muestran que su primer antepasado apareció hace al menos 1.6 millones de años. Sin embargo, faltan otras pruebas reveladoras de su existencia. Los eucariotas deberían producir y dejar ciertas moléculas distintivas, pero las versiones fosilizadas de esas moléculas no aparecen en el registro de rocas hasta hace 800 millones de años. Esta brecha inexplicable de 800 millones de años en la historia eucariota temprana, un período crucial en el que surgió por primera vez el último ancestro común de toda la compleja vida actual, ha envuelto en un velo de misterio la historia de la vida temprana.

"Existe una enorme brecha temporal entre el registro fósil de lo que creemos que son los primeros eucariotas y la primera... evidencia de biomarcadores de eucariotas", dijo Galen Halverson, profesor de la Universidad McGill de Montreal.

Hay muchas explicaciones posibles para esa brecha paradójica. Quizás los eucariotas eran demasiado escasos durante esa época como para dejar evidencia fósil molecular. O tal vez eran abundantes, pero sus fósiles moleculares no sobrevivieron a las duras condiciones del tiempo geológico.

Un estudio reciente publicado en Naturaleza ofrece una explicación alternativa: es posible que los científicos hayan estado buscando las moléculas fosilizadas equivocadas todo este tiempo. Cuando los autores del estudio buscaron versiones más primitivas de las sustancias químicas que otros habían estado buscando, las descubrieron en abundancia, revelando lo que describieron como "un mundo perdido" de eucariotas que vivieron hace entre 800 millones y al menos 1.6 millones de años.

"Estas moléculas han estado ahí todo el tiempo", dijo jochen brocks, un geoquímico de la Universidad Nacional Australiana en Canberra que codirigió el estudio con su entonces estudiante de posgrado. Benjamín Nettersheim. "No pudimos encontrarlos porque no sabíamos cómo eran".

Los hallazgos aportan nueva claridad a la dinámica de la vida eucariota temprana. La abundancia de estos fósiles moleculares sugiere que los organismos primitivos prosperaron en los océanos durante cientos de millones de años antes de que los ancestros de los eucariotas modernos asumieran el control, sembrando formas de vida que algún día evolucionarían hasta convertirse en los animales, plantas, hongos y protistas que vemos. hoy.

"Es una hipótesis elegante que parece conciliar estos registros tan dispares", dijo Halverson, que no participó en el estudio. "Hace que todo tenga sentido".

Los hallazgos fueron una buena noticia para paleontólogos como Phoebe Cohen, catedrático de geociencias del Williams College de Massachusetts, que Durante mucho tiempo pensé que faltaba algo en el registro de biomarcadores. "Existe una historia rica y dinámica de la vida antes de que evolucionaran los animales que es más difícil de entender porque no podemos verla", dijo Cohen. "Pero es extremadamente importante porque básicamente prepara el escenario para el mundo que tenemos hoy".

El rompecabezas de los protosteroides

Cuando el registro fósil es decepcionante, los científicos tienen otras formas de estimar cuándo las diferentes especies se separaron entre sí en el árbol evolutivo. Entre esas herramientas, las principales son los relojes moleculares: tramos de ADN que mutan a un ritmo constante, lo que permite a los científicos estimar el paso del tiempo. Según los relojes moleculares, el último ancestro común de los eucariotas modernos, que pertenecía a una colección diversa de organismos conocido como grupo de la corona, surgió por primera vez hace al menos 1.2 millones de años.

Pero la historia de los eucariotas no comienza ahí. Otros eucariotas primitivos, conocidos como grupo madre, vivieron durante cientos de millones de años antes de que evolucionara nuestro primer ancestro común. Los investigadores saben poco sobre ellos más allá del hecho de que existieron. El pequeño puñado de fósiles de eucariotas antiguos que se han descubierto son demasiado ambiguos para identificarlos como tallo o corona.

A falta de fósiles corporales convincentes, los investigadores buscan fósiles moleculares. Los fósiles moleculares, que se conservan separados de los fósiles corporales, pueden resultar difíciles de precisar para los científicos. Primero tienen que identificar qué moléculas podrían haber sido producidas únicamente por los organismos que quieren estudiar. Luego tienen que lidiar con el hecho de que no todas esas moléculas se fosilizan bien.

El material orgánico se descompone a diferentes ritmos y algunas partes de los eucariotas se conservan mejor en las rocas que otras. Los tejidos se disuelven primero. El ADN podría permanecer por más tiempo, pero no demasiado: el ADN más antiguo jamás encontrado tiene alrededor de 2 millones de años. Sin embargo, las moléculas de grasa pueden sobrevivir potencialmente durante miles de millones de años.

Los eucariotas crean grandes cantidades de moléculas de grasa conocidas como esteroles, un tipo de esteroide que es un componente crítico de las membranas celulares. Dado que la presencia de una membrana celular es indicativa de eucariotas y las moléculas de grasa tienden a persistir en las rocas, los esteroles se han convertido en el fósil molecular preferido del grupo.

Los eucariotas modernos se basan en tres familias principales de esteroles: el colesterol en los animales, los fitoesteroles en las plantas y el ergosterol en los hongos y algunos protistas. Su síntesis comienza con una molécula lineal, que la célula moldea en cuatro anillos para que la forma resultante encaje perfectamente en una membrana, dijo Brocks. Ese proceso tiene muchas etapas: se necesitan otros ocho pasos enzimáticos para que las células animales produzcan colesterol, mientras que las células vegetales requieren otros 11 pasos enzimáticos para producir un fitoesterol.

En su camino hacia la construcción de su esterol avanzado, una célula crea una serie de moléculas más simples en cada paso del proceso. Cuando se conectan a una membrana artificial, incluso esos esteroles intermedios proporcionan la permeabilidad y rigidez que una célula necesita para funcionar como debería. El bioquímico Konrad Bloch, que recibió el Premio Nobel en 1964 en parte por descubrir Los pasos celulares para producir colesterol."Estaba desconcertado por eso", dijo Brocks. ¿Por qué una célula haría un esfuerzo adicional para producir un esterol más complicado cuando una molécula más simple haría el trabajo?

En 1994, Bloch escribió un libro en el que predijo que cada uno de estos esteroles intermedios había sido alguna vez el producto final utilizado en la membrana de una célula eucariota ancestral. Es posible que cada paso adicional haya requerido más energía de la célula, pero la molécula resultante fue una ligera mejora con respecto a la anterior: una mejora suficiente para superar al precursor y afianzarse en la historia evolutiva.

Si eso fuera cierto, explicaría por qué nadie había podido encontrar fósiles moleculares de esteroles antes de la rápida expansión de los eucariotas modernos hace unos 800 millones de años. Los investigadores buscaban colesterol y otras estructuras modernas en la roca. No se dieron cuenta de que las antiguas vías bioquímicas eran más cortas y que los organismos de grupos madre no producían esteroles modernos: producían protoesteroles.

Molienda de café molecular

En 2005, unos cinco años después de la muerte de Bloch, Brocks y sus colegas informaron en Naturaleza los primeros indicios de que alguna vez existieron tales moléculas intermediarias. En sedimentos antiguos habían encontrado esteroides inusualmente estructurados que no reconocían. Pero en ese momento, Brocks no consideró que un eucariota pudiera haberlos creado. "En aquel entonces, estaba bastante convencido de que eran bacterianos", dijo. "Nadie pensaba en absoluto en la posibilidad de que existieran eucariotas de grupos madre".

Continuó tomando muestras de rocas antiguas y buscando estas curiosas moléculas. Aproximadamente una década después de comenzar el trabajo, él y Nettersheim se dieron cuenta de que muchas de las estructuras moleculares en las muestras de rocas parecían "primitivas" y no como las que normalmente crean las bacterias, dijo Brocks. ¿Podrían ser los esteroles intermedios de Bloch?

Necesitaban más pruebas. En la década siguiente, Brocks y Nettersheim se pusieron en contacto con empresas petroleras y mineras para solicitar muestras de cualquier sedimento antiguo que hubieran descubierto accidentalmente durante las expediciones de perforación.

"La mayoría de la gente habría encontrado dos ejemplos y los habría publicado", dijo andres montículo, profesor de historia natural de la Universidad de Harvard que no participó en el estudio. (Fue asesor postdoctoral de Brocks hace años). "Jochen pasó la mayor parte de la década observando rocas de todo el mundo en todo el Proterozoico".

Mientras tanto, los investigadores crearon una plantilla de búsqueda para identificar moléculas en el sedimento. Convirtieron moléculas intermedias modernas producidas durante la síntesis de esteroles en equivalentes geológicos plausibles de esteroides. (El colesterol, por ejemplo, se fosiliza como colestano). “Si no sabes cómo luce la molécula, no la verás”, dijo Brocks.

En el laboratorio, extrajeron moléculas fósiles de las muestras de sedimento mediante un proceso que es "un poco como hacer café", dijo Nettersheim. Después de triturar rocas, agregaron solventes orgánicos para extraer las moléculas que contienen, de la misma manera que se usa agua caliente para extraer café de los granos tostados y molidos.

Para analizar sus muestras y compararlas con sus referencias, utilizaron espectrometría de masas, que determina los pesos de las moléculas, y cromatografía, que revela su composición atómica.

El proceso es arduo. "Analizas cientos de rocas y no encuentras nada", dijo Brocks. Cuando encuentras algo, suele ser contaminación de tiempos recientes. Pero cuantas más muestras analizaron, más fósiles encontraron.

Algunas muestras estaban repletas de protosteroides. Encontraron las moléculas en rocas que datan de hace 800 millones a 1.6 millones de años. Parecía que los eucariotas antiguos no sólo estuvieron presentes durante unos 800 millones de años antes de que despegaran los eucariotas modernos, sino que además eran abundantes.

Los investigadores pudieron incluso reconocer el proceso evolutivo de los eucariotas a medida que sus esteroides se volvían más complejos. En rocas de 1.3 millones de años, por ejemplo, encontraron una molécula intermedia que era más avanzada que los protosteroides de 1.6 millones de años, pero no tan avanzada como los esteroides modernos.

"Esa fue una forma muy inteligente de abordar el registro faltante de fósiles moleculares", dijo David Gold, geobiólogo de la Universidad de California en Davis que no participó en el estudio. Su descubrimiento llenó inmediatamente un vacío de 800 millones de años en la historia de cómo surgió la vida moderna.

un mundo perdido

Los hallazgos moleculares, combinados con datos genéticos y fósiles, revelan la imagen más clara hasta ahora de la dinámica eucariota temprana de hace alrededor de mil millones de años, durante la misteriosa era media del Proterozoico, dijeron los expertos. Según la evidencia de Brocks y Nettersheim, los eucariotas de los grupos tallo y corona probablemente vivieron juntos durante cientos de millones de años y probablemente compitieron entre sí durante un período que los geólogos llaman el billón aburrido por su lenta evolución biológica.

La ausencia de los esteroides más modernos durante este tiempo sugiere que el grupo de la corona no se afianzó de inmediato. Más bien, los organismos unidos a membranas comenzaron siendo pequeños a medida que encontraron nichos en el ecosistema antiguo, dijo Gold. "Se necesita mucho tiempo para que [los eucariotas] se vuelvan ecológicamente dominantes", dijo.

Al principio, el grupo central pudo haber tenido una ventaja. Los niveles de oxígeno en la atmósfera eran significativamente más bajos que los actuales. Debido a que la construcción de protoesteroles requiere menos oxígeno y energía que los esteroles modernos, los eucariotas del grupo madre probablemente tuvieron más éxito y fueron más abundantes.

Su influencia declinó cuando el mundo atravesó una transición crítica conocida como el Período Tónico. Hace entre mil millones y 1 millones de años, el oxígeno, los nutrientes y otras materias primas celulares aumentaron en los océanos. Los fósiles de eucariotas modernos, como algas y hongos, comienzan a aparecer en el registro de rocas, y los esteroides modernos comienzan a superar en número a los protosteroides en los biomarcadores fosilizados: evidencia que sugiere que los eucariotas del grupo de la corona habían comenzado a prosperar, aumentar en número y diversificarse.

¿Por qué los esteroles se volverían más complicados con el tiempo? Los autores sugirieron que los esteroles más complejos otorgaban alguna ventaja evolutiva a sus propietarios, tal vez relacionada con la dinámica de las membranas celulares de las criaturas. Cualquiera sea la razón, el cambio de esteroles fue evolutivamente significativo. La composición de los esteroles modernos probablemente dio a los eucariotas del grupo de la corona un impulso sobre el grupo del tallo. Con el tiempo, "este mundo perdido de los antiguos eucariotas fue reemplazado por los eucariotas modernos", dijo Brocks.

Una arruga bacteriana

La historia evolutiva de los esteroles de los investigadores es convincente, pero no es sólida como una roca.

"No me sorprendería" que su interpretación fuera correcta, afirmó Gold. Sin embargo, existe otra posibilidad. Aunque los científicos tienden a asociar los esteroles con los eucariotas, algunas bacterias también pueden producirlos. ¿Podrían los fósiles moleculares del estudio haber sido dejados por bacterias?

gordon amor, geoquímico de la Universidad de California en Riverside, cree que el escenario bacteriano tiene más sentido. "Estos protosteroides aparecen en rocas de todas las edades", dijo. "No desaparecen simplemente, lo que significa que algo más que los eucariotas madre es capaz de producirlos". Sostuvo que las bacterias, que dominaban el mar en aquella época, podrían haber producido fácilmente protosteroides.

Los autores no pueden descartar esa posibilidad. De hecho, sospechan que algunas de sus moléculas fósiles fueron producidas por bacterias. Pero la posibilidad de que su vasta colección de protosteroides fosilizados, que se extiende durante cientos de millones de años, haya sido formada enteramente por bacterias parece poco probable, dijo Brocks.

"Si nos fijamos en la ecología actual de estas bacterias y en su abundancia, simplemente no hay razón para creer que podrían volverse tan abundantes como para haber producido todas estas moléculas", dijo. En el mundo moderno, las bacterias producen protoesteroles sólo en ambientes especializados, como manantiales hidrotermales o filtraciones de metano.

Cohen, el paleontólogo del Williams College, está de acuerdo con Brocks. La interpretación de que estas moléculas fueron hechas por eucariotas "es consistente con cualquier otra línea de evidencia", dijo, desde el registro fósil hasta los análisis del reloj molecular. "No estoy tan preocupada" por esa posibilidad, dijo.

Cualquiera de las dos interpretaciones presenta más preguntas que respuestas. "Ambas historias serían absolutamente extrañas", dijo Brocks. Son “visiones diferentes de nuestro mundo”, añadió, y sería bueno saber cuál es la verdadera.

Al carecer de una máquina del tiempo, los investigadores están buscando más evidencia para mejorar su certeza de una forma u otra. Pero hay un número limitado de maneras de reconstruir o percibir la vida antigua, e incluso las mejores conjeturas de los científicos nunca pueden llenar completamente el vacío. "La mayor parte de la vida no dejó ningún rastro en la Tierra", dijo Nettersheim. “El récord que vemos es limitado. … Durante la mayor parte de la historia de la Tierra, la vida podría haber tenido un aspecto muy diferente”.

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