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El mini helecho que enfrió el planeta Tierra

Hoy os traemos un trabajo que muestra la evolución de un diminuto helecho que consiguió enfriar la Tierra al capturar enormes cantidades de CO2 durante el denominado “evento Azolla”. Este helecho vive en simbiosis con bacterias capaces de captar nitrógeno atmosférico, lo que le permite ser una de las plantas con un crecimiento más rápido del planeta.

Un helecho que creció por encima de sus posibilidades

En un momento particular de la historia del planeta Tierra, una especie encuentra unas condiciones favorables para prosperar de tal manera que su crecimiento parece no tener límites. Sin embargo, su masiva proliferación acaba modificando las condiciones ambientales que le resultaban favorables, de modo que sus poblaciones finalmente se ven reducidas drásticamente. ¿Os suena la historia? Visto así, no parece diferir mucho de la situación actual con el ser humano y uno de los principales productos de su actividad, el dióxido de carbono (CO2), como protagonistas.

Sin embargo, hoy os contaremos una historia del pasado que tiene como actor principal a una especie vegetal de tamaño insignificante, pero que sirve como ejemplo del modo en que la vida ha influido sobre el clima del planeta a lo largo de su historia, y de los mecanismos que el complejo sistema Tierra tiene para autorregularse y mantener a raya a aquellas especies que “se van de madre”.

¿El tamaño importa? Cómo una especie minúscula puede modificar el clima

Os proponemos que cerréis los ojos y penséis en especies que tengan un gran impacto sobre el funcionamiento de los ecosistemas. ¿Os ha venido a la mente un elefante? ¿Quizás una ballena? ¿O más bien un bisonte? Parece lógico pensar que las especies de gran tamaño tienen mayor capacidad para influir sobre el entorno que les rodea. No obstante, puede que lo primero que te haya pasado por la cabeza sea una abeja. Y es que, aunque las especies con ejemplares de gran talla puedan ejercer una enorme influencia sobre el ambiente, el tamaño no lo es todo, y hay organismos que realizan funciones ciertamente esenciales, independientemente de la altura, volumen o masa de sus individuos. Por eso, en biología, muchas veces se utilizan métricas basadas en biomasa antes que en el número de individuos, sobre todo cuando queremos predecir su importancia en el funcionamiento de los ecosistemas. Hoy traemos una asombrosa historia conocida como “Evento Azolla”, protagonizada por un helecho de agua dulce que con apenas 2 cm de talla fue capaz de transformar el clima de la Tierra.

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Ejemplares de Azolla en el Arroyo del Peral (Cáceres, España). Foto: Félix Picazo.

Se mire por donde se mire, los helechos del género Azolla son una auténtica monería. En concreto, nuestro protagonista de hoy pertenece a la especie Azolla filiculoides, que es propia de las aguas cálidas de regiones tropicales de América, Asia y Australia. Sus hojas, del tamaño de una cabeza de alfiler, crecen en encantadoras capas imbricadas, de manera que recuerdan al modo en que se disponen las escamas de algunos peces y reptiles. Aunque hablamos de un helecho cuyo tamaño no supera al de una uña humana, esta especie tuvo un papel clave en el clima del planeta. Y es que, hace unos 50 millones de años, cuando la Tierra era un lugar mucho más cálido, este helecho comenzó a crecer y expandirse generando ingentes cantidades de biomasa de forma descontrolada. Esto le llevó incluso a expandirse por el Océano Ártico, creciendo sobre el mar abierto en forma de tapetes, donde actualmente está siendo detectado de manera abundante en muestras de hielo profundo.

El “Evento Azolla”

Esta explosión de Azolla fue tan exitosa que duró unos 800.000 años, siendo conocida por los paleobotánicos con el nombre de “Evento Azolla”. Como es bien sabido, las plantas necesitan absorber y fijar dióxido de carbono (CO2) para su desarrollo, algo en lo que la Azolla es particularmente buena. Los investigadores calculan que este pequeño helecho retiró de la atmósfera unos 10 trillones de toneladas de dióxido de carbono durante este evento extraordinario. Para hacernos una idea de la magnitud de esta cifra, equivale a unas 200 veces la cantidad total de CO2 que se emite anualmente a la atmósfera como consecuencia de la actividad humana. Precisamente, los registros climáticos de esa época muestran que las temperaturas globales cayeron durante ese periodo, lo que sugiere que este diminuto helecho jugó un papel clave en la transición de la Tierra desde una fase cálida al lugar relativamente frío que es hoy.

Todo ello llevó a los científicos a preguntarse si la Azolla podría ser empleada para enfriar el planeta de nuevo. El gran interés despertado por este helecho propició que el biólogo evolutivo Fay-Wei Li y la botánica Kathleen M. Pryer, junto a un equipo de 40 científicos internacionales, se pusieran manos a la obra con el objetivo de secuenciar el genoma completo de Azolla por primera vez. Los resultados  de este trabajo han sido plasmados en un artículo recientemente publicado en la revista Nature Plants.

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Izquierda: Fay-Wei Li, Cornell University (Nueva York, EEUU). Derecha:  Kathleen M. Pryer,  Duke University (Durham, EEUU).

Investigación básica: la secuenciación del genoma de Azolla escondía sorpresas

Las extraordinarias cualidades de este pequeño helecho no se detienen ahí. Así, el contorno de sus hojas cuenta con unas pequeñas cavidades donde se alojan cianobacterias (las antiguamente denominadas algas verde-azuladas) capaces de fijar nitrógeno, lo que se traduce en una simbiosis perfecta: el helecho puede usar el nitrógeno de la atmósfera como fertilizante a cambio de alojar al microorganismo y proporcionarle un alimento azucarado. Este hecho ha sido aprovechado por muchos agricultores a lo largo y ancho de Asia, particularmente en China y Vietnam, donde es común el uso de Azolla como fertilizante nitrogenado en campos de arroz desde hace más de 1000 años. En su artículo en Nature Plants, Li y su equipo identificaron los genes que dan soporte a esta relación simbiótica entre la cianobacteria y el helecho. Los autores del artículo esperan que estos avances permitan seguir investigando las propiedades de este mini-helecho como fertilizante sostenible, al mismo tiempo que pueda ser usado para secuestrar dióxido de carbono de la atmósfera.

Y, como no hay dos sin tres, durante el proceso de secuenciación, Li y sus colegas encontraron otra asombrosa propiedad en este minúsculo vegetal: detectaron la proteína específica que hace que los helechos repelan los insectos, y concluyeron que evolucionó en el interior del genoma de las plantas procedente de bacterias (probablemente gracias a otra simbiosis como la anteriormente descrita). Aunque se sabía que, en general, a los insectos no les gustan los helechos, los científicos no tenían claro el por qué, por lo que localizar el origen de esa resistencia natural de los helechos a los insectos podría tener importantes implicaciones para la agricultura. Algunos pesticidas modernos contribuyen a la contaminación del aire y del agua, y han sido vinculados a problemas de salud para los humanos, por lo que un pesticida basado en una proteína propia de los helechos sería un avance considerable.

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Azolla cubriendo el río Canning (Australia). Foto: Gnangarra en wikimedia commons.

La proliferación de Azolla causa un gran impacto en los ecosistemas

Para finalizar, volviendo al “Evento Azolla” que iniciaba este texto, las complejas y múltiples relaciones que se dan en la naturaleza hacen que el plan idílico de retirar CO2 de la atmósfera a través del desarrollo masivo de este tipo de helechos pueda llevar asociadas contrapartidas de consecuencias realmente dramáticas. Y es que, actualmente, Azolla filiculoides está protagonizando invasiones biológicas (tema al que dedicamos recientemente un número especial) realmente dañinas, un hecho que está afectando especialmente a los ecosistemas acuáticos del suroeste de España. Así, la expansión de este helecho flotante puede tapizar por completo la superficie de ríos y lagos, impidiendo que penetre la luz hacia el fondo e impactando gravemente los ecosistemas acuáticos. Este proceso de degradación empieza con enormes mortandades de productores primarios (plantas y algas acuáticas) que necesitan luz para desarrollarse, lo que causa un efecto cascada sobre el resto de la cadena trófica. La descomposición de los organismos muertos en estos eventos requiere un enorme consumo de oxígeno, pudiéndose llegar a estados anóxicos (sin oxígeno) en los que se favorece la emisión de gases tóxicos y malolientes. Por tanto, no resulta difícil imaginar que la gran explosión de este tipo de helecho durante el “Evento Azolla”, además de modificar el clima planetario, debió resultar demoledor para las comunidades acuáticas a nivel global, desde praderas de vegetales superiores y algas hasta poblaciones de peces, crustáceos o moluscos.

Merece la pena destacar que, para obtener todos estos resultados, ante la lamentable falta de recursos económicos para investigar (tanto públicos como privados) , los científicos tuvieron que recurrir a una plataforma de crowfunding para financiar la mayor parte del proyecto, de manera que un total de 123 donantes aportaron 22.000 dólares al equipo de investigadores.

Artículo completo:

Fay-Wei Li et al. 2018. Fern genomes elucidate land plant evolution and cyanobacteria symbioses. Nature Plants, 4: 460-472.

Este post está inspirado en un texto en inglés elaborado por Zoë Schlanger y publicado el 13 de julio de 2018 en la web de la plataforma Quartz.