¿Qué han hecho las vacunas por nosotros?

 Parodiando a la famosa escena de los Monty Python "¿Qué han hecho los romanos por nosotros?" una crítica a los movimientos coercitivos típicos de sectas típicos de los movimientos nacionalistas

¿Para qué nos han servido las vacunas?

El origen de la vida: la aparición de los primeros microorganismos

 He leído "El origen de la vida: la aparición de los primeros microorganismos" de Juan Antonio Aguilera. Me gustó por varias razones. primero por la extraordinaria capacidad de síntesis del autor para desvelar una pregunta que está entre nosotros desde el origen de los tiempos. Me ha gustado el tono sosegado, honesto y respetuoso. Muchos de los libros de divulgación escritos adolecen de cierto tono mesiánico. Me parece muy interesante que, siendo el autor un profesor universitario español, haya recogido las aportaciones a este tema de investigadores españoles. Me emocionó la referencia al trabajo pionero del Dr. Faustino Cordón que en un país sumido en la posguerra fue capaz de mantener la llama del conocimiento y del estudio de la evolución biológica. Estamos tan faltos de autores que se encarguen de recordar que el conocimiento no es algo que viene de fuera, que también se genera entre nosotros, en nuestra cultura, en nuestro idioma.

En una época en la que los artículos científicos se publican como churros, y la escritura científica está tan homogenizada, poder leer de ciencia espigando lo importante, deshechando lo superficial es un valor que necesita experiencia, años en el campo y una labor de filtrado. Todo eso lo ha logrado Juan Antonio Aguilera. Se nota el cariño y la pasión por el tema. Muchísimas gracias al autor por esta obra.

Reseña aparecida en La ciencia de la mula Francis

Razonar y comprender la información genética

Los seres vivos somos entes autorreplicantes. Nuestra capacidad para interactuar con el ambiente y crear copias de nosotros mismos está instrita en la información que guardamos en nuestros genes. Para comprender cómo se almacena la información, cómo a partir de un progenitor la descendencia va variando debido a la selección genética debemos primero analizar el problema, utilizar la lógica y las matemáticas para poder resolverlo. Esta forma de entender el proceso nos permite entender la "filosofía" de cómo esa información genética autorreplicante se organiza, se distribuye y opera.  En general, creo que en las clases de biología estamos atiborrando a los alumnos con datos y ellos tienen la sensación de que piensan. Con esta serie de problemas esperamos que empiecen a atar cabos, a razonar y a comprender cuáles son los mecanismos básicos de esa información genética. Esto nos permitirá entender cómo funcionan las vacunas, cómo "surgen" las bacterias resistentes a los antibióticos, cómo un cáncer "se vuelve" más agresivo. 

Las bases del código genético 

Ejercicios ácidos nucleicos y ADN

Ejercicios transcripción ARN

Cuantificación de proteínas

Ejercicios traducción y proteínas

Cómo se almacena la información genética

Práctica encuentra los ORFs en las secuencias de ADN

Ejercicio amplifica el ORFs

pUC19, un plásmido para todo

Cómo se replica la información genética

Replicación ADN, telómeros y PCR (ejercicios)

Clonación in silico

Clonación in silico del gen gyrA de Streptococcus pneumoniae

Los árboles genealógicos

Árbol genealógico de los Restrepo

Construcción de un árbol filogenético

Alineamiento de secuencias

¿Cómo se selecciona la variabilidad genética?

La mayoría de los problemas médicos actuales se basan precisamente en cómo se selecciona la variabilidad genética. ¿Qué quiere decir esto? vacunas, cáncer, resistencia a los antimicrobianos. Estos son temas que los alumnos de medicina no suelen comprender. No se comprenden porque no se hace suficiente hincapié en que todos ellos se basan en esta idea bien simple: existe una variabilidad previa y de esta variabilidad se seleccionan determinadas células. La aparición de cánceres agresivos se explica de esta manera, como también el funcionamiento de las vacunas y la selección de bacterias u hongos resistentes a los antimicrobianos. En este capítulo trabajaremos los tres ejemplos. 

La expansión clonal explica cómo funcionan las vacunas

¿Realmente sabemos cómo funcionan las vacunas?

Ejercicios crecimiento microbiano

La belleza de lo exponencial

El antibiograma como recurso para explicar la evolución

Prueba de difusión en disco (Kirby Bauer)

Prueba  de sensibilidad antimicrobianos por difusión en disco. Método de Kirby Bauer

Se realizarán el experimento de Prueba de difusión en disco (Kirby Bauer). Esto es el experimento que realizarán los aliumnos. Cultivos bacterianos de Escherichia coli en placas Petri con Agar Nutritivo. En el cultivo de E. coli se colocarán discos de los siguientes antibióticos: ampicilina/sulbactan; ampicilina; cefazolina, ciprofloxacina y gentaminican. 

El descubrimiento de sustancias para controlar el crecimiento y reproducción bacteriana fue un evento revolucionario para la terapéutica médica. Sin embargo, el uso de agentes antimicrobianos promovió la selección de aquellas poblaciones bacterianas que lograron desarrollar mecanismos para evitar los efectos nocivos que estas sustancias provocan. Los mecanismos de resistencia a los antibióticos están determinados por cambios genéticos que se transmiten entre las poblaciones bacterianas de forma vertical (a las siguientes generaciones) y de forma horizontal (entre poblaciones de la misma generación a través, principalmente, de la conjugación). Es así que la resistencia a antibióticos es uno de los principales problemas a los que se enfrentan los sistemas de salud a nivel mundial. Los médicos tienen la responsabilidad de seleccionar y usar los medicamentos antibióticos más apropiados basando su decisión en el conocimiento integral de la problemática. Por esto, es fundamental que el estudiante de medicina conozca los principios y técnicas que permiten determinar si una población bacteriana es sensible o resistente a los antibióticos. Estas técnicas se conocen como pruebas de sensibilidad a los antimicrobianos Kirby Bauer

Objetivos de la práctica

1. Conocer el procedimiento para realizar una prueba de difusión en disco.
2. Identificar las variables que pueden influir en los resultados de una prueba de difusión en disco.
3. Interpretar los diámetros de la zona de inhibición como sensible, intermedio o resistente
para cada bacteria basados en las recomendaciones del CLSI.

Alcance

Esta práctica cubre desde la preparación del inóculo hasta la interpretación de los resultados
obtenidos en el antibiograma, caracterizando a las poblaciones bacterianas analizadas como
susceptibles o resistentes a los diferentes antibióticos probados.

Aparatos, equipos, materiales y reactivos

Mechero bunsen, incubadora 37ºC, turbidímetro calibrado.

Cuantificación de bacterias en medio líquido

Nefelometría y/o Turbidimetría son métodos analíticos basados en la dispersión de partículas suspendidas en líquidos. En bacteriología nos sirven para saber cuántas bacterias tenemos en un cultivo líquido.

Turbidimetría: es la medición de la luz transmitida a través de una suspensión, tiene la ventaja de permitir la valorización cuantitativa, sin separar el producto de la solución. Las mediciones, pueden efectuarse concualquier espectrofotómetro.

Nefelometría: mide la luz dispersada en dirección distinta a la luz emitida (generalmente con ángulos que oscilan entre 15 y 90º). Utiliza como instrumento el nefelómetro (en el que el detector se ubica con un ángulo que oscila entre 15 y 90º ej. a 90º). Se suele utilizar para concentraciones más diluidas. Permite mayor sensibilidad con concentraciones menores de partículas suspendidas. Constituye un método más exacto para la medida de la opacidad.

¿En que se basan? Cuando la luz atraviesa un medio transparente en el que existe una suspensión de partículas sólidas, se dispersa en todas direcciones y como consecuencia se observa turbia. En la turbidimetría se compara la intensidad del rayo de luz que emerge con la del que llega a la disolución. En cambio, en la nefelometría la medida de la intensidad de luz se hace con un ángulo de 90º con respecto a la radiación incidente. Para medir la nefelometría se utiliza el estándar de McFarland:

0.5 McFarland equivale a un cultivo de 1.5 x 10⁸ bacterias E. coli/ml

Cuantificación de bacterias en medio sólido

PROBLEMA 1. Tengo un cultivo celular de una densidad óptica de 0.6. Sabemos que:

La concentración de bacterias en un cultivo = DO600nm x 1.2 10⁹.

Por tanto, la concentración de bacterias será 0.6 x 1.2 10⁹ = 7.2 10⁸. Si tengo 7.2 10⁸ bacterias por militro ¿Cuántas diluciones 1/10 tendría que hacer para tener un número en la placa que pudiese contar? Para entender las diluciones mira el siguiente gráfico:

Si tengo un cultivo líquido de E. coli y en el nefelómetro mido 0.5 McFarland, lo que me dice la teoría es que 0.5 McFarland  corresponde a 1.5 x 10 ⁸ bacterias/ml. La teoría nos dice que: 

Entonces... si mido ese cultivo de E. coli en un espectrofotómetro a 600nm teóricamente tendría un valor entre 0.08 y 0.1. Imaginemos que tengo 0.9. La teoría nos dice que si tengo 

D.O.600nm = 0.1

Entonces: número de bacterias/ml = D.O.600nm x 1.2 x 10⁹ 

número de bacterias/ml = 0.1 x 1.2 x 10⁹ = 1.2 x 10⁸.

Si divido 1.2 x 10⁸ / 1.5 x 10⁸ = hay un 20% menos bacterias teóricas por el método de espectrometría comparado con el de nefelometría. ¿Es eso cierto?

 

SESIÓN 1

1. De cada cultivo bacteriano seleccionar 1 colonia, con el asa

bacteriológica con mucho cuidado tomar la colonia y disolverla en un tubo que contenga

2mL con solución salina al 0.9%.

2. Ajustar la turbidez al estándar McFarland 0.5 en el Turbidímetro hasta alcanzar la

concentración deseada (0.5 McFarland).

3. Introducir un hisopo estéril en el tubo con solución 0.5 McFarland, eliminar el exceso del

líquido en las paredes del tubo, posterior inocular la superficie del agar MH con el hisopo

sobre toda la superficie de agar (I); gire la placa aproximadamente 60 grados y repetir el

procedimiento por 2 ocasiones más (II y III), tomar en cuenta que se debe cubrir toda la

superficie del agar para garantizar una distribución uniforme del inóculo. Para finalizar la

inoculación pasar el aplicador por la periferia del medio de cultivo (IV).

Minuto 2:20 a 2:55 método de siembra

4. Permitir secar el medio por un lapso de 3 a 5 minutos y no más allá de 15 minutos.

5. Colocar los discos de antibióticos sobre el agar con una pinza estéril previamente

flameada. Oprima los discos suavemente con la pinza para asegurar un buen contacto

con el medio de cultivo. Los discos deben estar espaciados de manera que su distancia

a la pared de la placa sea de 15 mm y entre ellos de 20 a 30 mm.

Discos de antibióticos utilizados

6. Incube en aerobiosis a 37°C-24 horas.

Resultados:

Recursos adicionales:

Método Kirby-BauerURL 

 

ID Laboratory Videos - Antibiotic Susceptibility Testing

Para saber más:

El antibiograma como recurso para explicar la evolución

Prueba de BLEE

Resultados práctica antimicrobianos

Los antibióticos sólo deben de matar bacterias

¿Qué podemos hacer para combatir la resistencia a los antibióticos?

Cómo la avicultura india está creando superbacterias globales

El problema de las resistencias a los antibióticos (también en Ecuador)

Cilagicina, un antibiótico descubierto mediante bioinformática

 Muchos medicamentos se descubren porque los científicos experimentan con compuestos, se crean moléculas... y se van investigando a ver de qué son capaces. En principio sirven para una cosa, y al final, casualmente, pueden terminar teniendo otra aplicación más apropiada. Por ejemplo, los antidepresivos surgieron en la década de los años 50 cuando investigaban con una molécula para combatir la tuberculosis. Descubrieron que tenía efectos en la mejora del ánimo de los pacientes a los que trataron con este medicamento. El sildenafilo (viagra), en principio se estaba estudiando para tratar la hipertensión y la angina. Contra éstos, tenía un efecto bastante leve, pero provocaba erecciones. Por otro lado, medicamentos tan temidos como la talidomida, que causó graves malformaciones en los fetos (estaba indicado para combatir las náuseas en mujeres embarazadas), actualmente se utiliza como medicamento contra los tumores o el mieloma múltiple. O el AZT, que en principio se usaba (en los años 60) como tratamientos contra el cáncer porque los antirretrovirales lo que evitan es que los virus (de ahí el nombre), o las células tumorales no repliquen su información genética.

El equipo de Sean F. Brady de la Universidad Rockefeller de Nueva York con la ayuda de un algoritmo al que suministraron secuencias de unos genes específicos que antes no se habían estudiado para la producción de antibióticos descubrieron un nuevo antibiótico que han bautizado como Cilagicina. El algoritmo ofreció varios resultados de moléculas posibles. Han probado con una de estas moléculas, la que resultó ser la cilagicina y han descubierto que sí, que mata bacterias resistentes a los antibióticos que actualmente existen. El modo de acción de la Cilagicina es que impide que cierre la malla de peptidoglicano.

Cilagicina funciona desuniendo dos moléculas, C55-P y C55-PP, que soportan ambas paredes celulares bacterianas: la capacidad del compuesto para desactivar ambas moléculas es el arma infalible contra la resistencia bacteriana a los antibióticos. La presión de turgencia de la bacteria hace que, si la malla no está bien tupida y consolidada, la bacteria explote. 

Este equipo ha probado la Cilagicina en varias bacterias multirresistentes (Staphylococcus, Acinetobacter....) a los antibióticos conocidos: la respuesta es que FUNCIONA y mata a estas bacterias.

Amplificación LAMP de ARN de Sars-CoV-2

Fig. 1. LAMP es un tipo de PCR isoterma que utiliza 4 o 6 primers

Video 1: Loop mediated isothermal amplification (LAMP protocol explained)

WarmStart Colorimetric LAMP 2X Master Mix Typical LAMP Protocol (M1800)

Configuración de la reacción: Para simplicidad de la reacción, se recomienda realizar soluciones stock de los primers de LAMP a una concentración de utilidad. Por ejemplo, se sugiere preparar un Primer Mix de concentración 10X con todos los 6 primers de LAMP.

Un Primer Mix 10X de LAMP contiene:

Primer	10X Concentration (Stock)	1X Concentration (Final)
FIP	16 μM	1.6 μM
BIP	16 μM	1.6 μM
F3	2 μM	0.2 μM
B3	2 μM	0.2 μM
LOOP F	4 μM	0.4 μM
LOOP B	4 μM	0.4 μM

Nota: Preparar las soluciones stock en agua de Grado Biología Molecular, en vez de TE u otras soluciones tampón para evadir su interferencia en la reacción de LAMP. Preparar el stock de primers en agua libre de nucleasas y almacenar a –20°C.

1. Dejar descongelar los componentes a temperatura ambiente y colocar en hielo (o gradilla fría). Puede formarse sal en el fondo de los tubos; colocar en el vórtex brevemente o invertir el tubo varias veces para mezclar. Centrifugar para juntar y colocar en el hielo.

2. Preparar el mix de la reacción como se describe en la tabla inferior, usando el Colorimetric LAMP Master Mix, los primers de LAMP y el agua libre de nucleasas. Los volúmenes están definidos para 25 μL de reacción de LAMP, pero pueden utilizarse otros volúmenes (10, 20, 50 μL etc.), ajustar los volúmenes de acuerdo a su necesidad. Se asume que la muestra es de 1 μL, pero para volúmenes mayores de muestra ajustar los componentes y reducir el volumen de agua para compensar. Para reacciones sin muestra, añadir el volumen equivalente de agua.

	DNA Target	RNA Target	No-Template Control (NTC)
WarmStart Colorimetric LAMP 2X Master Mix	12.5 μL	12.5 μL	12.5 μL
LAMP Primer Mix (10X)	2.5 μL	2.5 μL	2.5 μL
Target DNA	1 μL	-	-
Target RNA	-	1 μL	-
dH2O	9 μL	9 μL	10 μL
Total Volume	25 μL	25 μL	25 μL

3.    Colocar el mix en el vórtex y luego centrifugar.

4.    Tomar con una pipeta 24 μL del mix por reacción a realizar y colocarlos en cada tubo de reacción. Añadir 1 μL muestra al mix. Mezclar los componentes en el vórtex o pipeteando varias veces y centrifugar para juntar de ser necesario. Cerciorarse de que las soluciones de reacción tengan un color rosa brillante, lo cual indica que el pH inicial es el requerido para la reacción de LAMP.

5.    Tapar los tubos de reacción 

6.    Incubar a 65°C por 30 minutos.

7.   Retirar los tubos de la incubación y examinarlos a la vista. Las reacciones positivas se tornarán de color amarillo, mientras que las negativas permanecerán de color rosa. Si el cambio de color no es completo (Ej.: se visualiza un color anaranjado), devolver los tubos a la incubadora a 65°C por otros 10 minutos. Las reacciones pueden ser examinadas más temprano; reacciones de muestras concentradas o de controles positivos pueden exhibir el cambio de color a los 10-15 minutos. El color será visible en los tubos inmediatamente luego de retirarlos de la incubadora, pero puede ser intensificado si se los deja enfriar a temperatura ambiente.

8. El resultado colorimétrico puede ser fotografiado o escaneado para registro, o simplemente almacenado a temperatura ambiente en los tubos de reacción.

Fig. 2. El kit tiene un sistema colorimétrico que nos muestra cuando la amplificación ha sido positiva

Resultados de los alumnos: de izquierda a derecha negativo, negativo, positivo, negativo, intermedio (habría que dejarlo media hora más) y positivo

La manera en la que nos relacionamos evoluciona en el tiempo

“Dale a la gente concursos que puedan ganar recordando las letras de las canciones más populares, o los nombres de las capitales de Estado. Atibórralos de datos no combustibles, lánzales encima tantos "hechos" que se sientan abrumados. Entonces tendrán la sensación de que piensan, tendrán la impresión de que se mueven sin moverse. Y serán felices. No les des Filosofía o Sociología para que empiecen a atar cabos.”

Ray Bradbury, "Fahrenheit 451" (1953)

Completamente de acuerdo con Ray Bradbury. Mucha divulgación científica adolece de este defecto. La explicación de los hechos científicos consumen tantos recursos al divulgador que al final todo se resume en datos, datos y más datos pero que no nos permiten avanzar en el conocimiento. Podemos explicar por qué la semana tiene 7 días, y la explicación del porqué es fascinante, pero el relato de esta explicación no nos permite profundizar en el significado de lo que significa para nosotros el calendario. Un calendario es la manera en la que nosotros tomamos conciencia de la cuarta dimensión, el tiempo. Desgraciadamente los humanos solo manejamos tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal. Los matemáticos creen que existen más dimensiones, pero somos incapaces de verlas. Podemos medir las dimensiones espaciales, ancho, largo y alto. Con el calendario medimos el tiempo. El tiempo nos permite percibir la evolución, el cambio de la información guardada en nuestro código genético y las interacciones entre yo y los otros, algo que también se guarda en nuestro código genético. Por ejemplo, nosotros, cuando niños, jugamos despreocupados, es cuando llega la adolesciencia cuando las hormonas alteran la manera qne la que nos relacionamos con los demás. Aquella niña que nos parecía aburrida ahora nos obsesiona porque tiene unos atributos sexuales que nos nublan el sentido; aquel niño con el que nos gustaba jugar despreocupadamente, de repente, lo percibimos como un competidor y necesitamos exhibir dominancia y territorio. 

La manera en la que nos relacionamos con los demás ha evolucionado en el tiempo: competición, parasitismo, simbiosis y por último el sometimiento. Todos conocemos qué significa competición entre iindividuos. El parasitismo empezamos a entenderlo. La simbiosis nos cuesta un poco más. El sometimiento, al que también he denominado estupidizar, es una manera de relacionarte con tus iguales que consiste en anularles su sentido individual para ponerlos a trabajar para ti. Es lo que han hecho los seres pluricelulares que dividen a sus células en dos tipos, las sexuales, es decir, las que van a tener la oportunidad de vivir en la siguiente generación, y las somáticas, que viven para mantener a las células sexuales hasta que generen otro nuevo cuerpo. 

De forma muy esquemática, el calendario geológico se divide en 4 grandes periodos. Cada periodo corresponde con un periodo muy definido de la evolución geológica, que va de la mano de la evolución biológica como veremos. Esos 4 grandes periodos se llaman eones: Hádico, Arcaico, Proterozoico y Fanerozoico. 

En el periodo Hádico, que va desde el enfriamiento de la Tierra recien formada hace 4500 millones de años (ma) hasta hace 4000 ma. En ese periodo de tiempo surgió Luca, el organismo del cual procedemos todos los seres vivos, un organismo hipotético al que se le conoce como Luca, por la sigla en inglés de “último ancestro común universal” (Last Universal Common Ancestor). Ese organismo probablemente era un ribozima que habitaba entre las láminas de filosilicatos que forman las arcillas. Como organismos autorreplicantes trataban de producir el mayor número de copias en competición con otros ribozimas. Estos organismos basados en el ARN pronto fueron capaces de traducir su código genético a proteínas gracias al protoribosoma. Se trataba de los protovirus, los precursores de los virus. Fueron los protovirus los que, a partir del ARN y mediante la enzima retrotranscriptasa, crearon la molécula de ADN de doble cadena.

El periodo Arcaico surge con la aparición del primer organismo cuyo ADN como material genético está confinado en una membrana formada de fosfolípidos. Con la aparición de las primeras arqueobacterias, éstas proliferan acaparando todos las moléculas orgánicas que estaban libres en la sopa biológica. Tanta avaricia dejó los mares transparentes y el interior de esas membranas repletas de lo que antes era de libre acceso. Los protovirus tuvieron que buscar en el interior de las arqueobacterias las moléculas que antes flotaban en la sopa biológica. En el proceso perdieron sus ribosomas por la ventaja que suponía utilizar los de las arqueobacterias. Esa pérdida del ribosoma los convirtió en los virus tal y como los conocemos actualmente.

La aparición de bacterias fotosintéticas marcan el paso del eón Arcaico al Proterozoico. Perdón, las bacterias fotosintéticas oxigénicas. Cuando la Tierra tenía apenas 560 millones de años de edad surgen unas bacterias con capacidad de realizar fotosíntesis anoxigénica, es decir, sin presencia del oxígeno. Este tipo de fotosíntesis tenía lugar en presencia de ácido sulfhídrico (H2S) liberándo azufre molecular en el proceso (S2). También podrían usar arsénico o hidrógeno como donadores de electrones. Tenemos que pensar que hacía solo un 1000 millones de años que se había formado la Tierra. La actividad volcánica era elevada y las bacterias que poblaban el planeta eran similares a las que hoy consideramos extremófilas. Bacterias que viven en fumarolas de agua hirviendo, dentro de hielo a -120ºC, aguas ácidas, lagunas hipersalinas, costras del desierto.  Una de estas bacterias con capacidad de realizar la fotosíntesis, a las que a partir de ahora llamaremos cianobacterias, fueron capaces de realizar una variante de la fotosíntesis que ha llegado a ser la predominante en todo nuestro planeta. Se trata de la fotosíntesis oxigénica. La fotosíntesis necesita un reductor (una fuente de electrones), que en este caso es el agua (H2O). Al tomar el H del agua se libera oxígeno.   

Fig. 1. Fórmula de la fotosíntesis. Las cianobacterias toman del medio agua (H20) y CO2 y gracias a que aprovechan la energía de los fotones de la luz solar, son capaces de formar una molécula de seis carbonos rica en energía como lo es la glucosa. El producto de "deshecho" de esta reacción es el 02 que es liberado a la atmósfera.

Esta reacción tuvo tanto éxito porque partía de dos elementros muy abundantes en la Tierra: luz solar, agua y CO2. La explosión evolutiva y ecológica de las cianobacterias hizo que éstas cubriesen todos los mares, lagos y superficies terrestres. Una de las razones de este éxito fue el hecho de que el oxígeno es tóxico para la mayoría de las bacterias anaerobias o bien aunque lo toleren, no son capaces de competir con las bacterias que utilizan el oxígeno como aceptor final de electrones.  En general la respiración aerobia genera más energía que la anaerobia y mucho más que la fermentación. 

Cuando aparecen las cianobacterias y empezaron a producir 02 como producto de deshecho de la reacción de la fotosíntesis, este elemento comenzó a oxidar el gas más abundante en el planeta por aquel entonces, el metano. A este evento se le conoce como la Gran Oxidación. El metano es un excelente gas de efecto invernadero y su poder de calentamiento es más de 80 veces mayor que el dióxido de carbono. Cuando el 02 eliminó gran parte de ese metano que ayudaba a que el planeta tuviese una temperatura compatible con la vida el planeta se enfrió de manera drástica y repentina dando lugar al periodo glacial huroniano que tuvo lugar hace 2400 millones de años. La concentración de oxígeno se estabilizaron alrededor del 1% atmosférico. Los océanos se congelaron y la vida, que en aquel entonces era exclusivamente acuática, se vió relegada a pequeñas islas alrededor de los volcanes y manantiales de agua caliente. Durante este período se descubrieron fósiles macroscópicos de 2200-2100 millones de años. Se trata del fósil Diskagma, uno de los fósiles eucariotas más antiguos y el grupo fósil francevillense. Se trata de eucariotas similares a los mohos mucilaginosos actuales. 

Estos fósiles son la prueba de que en el eón posterior a la aparición del oxígeno, el eón llamado Proterozoico, es cuando se dan los eventos simbióticos seriados entre las arqueobacterias y bacterias Gram negativas que van a dar lugar a los protozoos. De estos protozoos surgirán con fuerza en el siguiente y último eón, el llamado eón Fanerozoico, los grupos de seres pluricelulares como son las plantas (de ahí el nombre del eón), los hongos y los animales. Por lo tanto, ya en el eón Proterozoico aparecen hongos mucilaginosos. Este dato es interesante porque, al igual que las bacterias Myxococcus xanthus, un hongo mucilaginoso actual, Dyctiostelium discoideum, es capaz de pasar de organismo unicelular a pluricelular cuando se encuentra en estrés, por ejemplo, por falta de alimento, o condiciones ambientales adversas. En ese momento, Dyctiostelium se convierte en un ser pluricelulares con forma de seta. Es en esa seta en donde se produce una división de las células que hasta ese momento erán todas iguales. Las células se dividen en dos grupos: las sexuales y las somáticas. Es en este tipo de hongos mucilaginosos en donde la vida experimenta la cuarta manera de interacción celular: el sometimiento o estupidización, en donde unas células, las sexuales, manipularan a las otras, las somáticas, en su beneficio.

Fig. 2. La vida basada en carbono desde su orígen hace 4500 millones de años a la actualidad se divide en cuatro eónes: Hádico, Arcaico, Proterozoico y Fanerozoico. Cada uno de esos eónes está caracterizado por un tipo de interacción entre entidades, es decir, por una forma de relacionarnos: competición, parasitismo, simbiosis o sometimiento. 

Obviamente, esta explicación de los cuatro eónes del tiempo geológico y cómo se relacionan con la manera en las entidades biológicas interaccionan entre si es de una simplificación exagerada y llena de imprecisiones. En el eón Fanerozoico, que se desarrolla hasta nuestros días, existen bacterias anaerobias, seres pluri y unicelulares. Existe competición, parasitismo, simbiosis y sometimiento. La razón de ser de esta síntesis superabreviada de tiempo y la evolución de los organismos es la de poder argumentar que la manera en la que yo me relaciono con él o con ellos va a determinar quién soy y hacia dónde voy. Hace ahora 4550 millones de años que se formó el planeta Tierra. es ahora cuando la vida basada en carbono y en un código surgido del ARN se enfrenta cara a cara con otro código basado en ceros y unos, apagados y encendidos de un computador. Vida basada en el silicio. Entender que la manera en que el yo se ha relacionado con lo que no era él es fundamental no solo para conocernos a nosotros mismos sino para entender cómo la humanidad ha de entenderse con la inteligencia artificial que ha venido para quedarse con nosotros. 

Fig. 3. Desde el punto de vista del oxígeno sobre el planeta Tierra existen dos eventos importantes: la Gran Oxidación de hace 2200 ma (hay autores que dicen 2400 ma), y el periodo criogénico de hace 600 millones de años. En la Gran Oxidación el oxígeno pasó de inexistente al 1% de la atmósfera. En el periodo criogénico esa concentración subió al 20%, similar al 21% de O2 de la atmósfera actual. Vemos como en el eón Hádico no existían células pero existía vida acytota, es decir sin membrana celular, como son los ribozimas y protovirus. En el periodo Arcaico existían ribozimas y los protovirus evolucionaron a virus con la aparición de las arqueobacterias. El periodo Proterozoico, la vida se expandió a célular eucariotas que procedían de eventos endosimbiontes seriados. Estas células eucariotas comenzaron a ensayar la pluricelularidad. Finalmente, al aumentar el oxígeno en el Fanerozoico, los seres pluricelulares contaron con la energía necesaria para mantener esos consorcios celulares. 

La evolución de los seres vivos y su relación con el oxígenos es algo que se refleja en nosotros. Los seres humanos también seguimos ese patrón: somos organismos aerobios y anaerobios. Pensamos que somos exclusivamente aerobios porque necesitamos respirar. Tomamos aire con oxígeno con nuestros pulmones y exhalamos CO2. No obstante, tenemos partes de nuestro cuerpo que carecen de oxígeno. Sin ir más lejos, nuestros intestinos son anaerobios. No exhalan CO2, exhalan metano. Los intestinos exhalan por donde la espalda pierde su casto nombre. Existen más lugares carentes de oxígeno. Por ejemplo las cavidades recónditas, como el surco gingival en donde se insertan los dientes. Allí viven bacterias como Streptococcus mutans, la causante de las caries o Porphyromonas gingivales, la sospechosa de causar Alzheimer en humanos.

Referencia: 

Mohos Mucilaginosos del Suelo: La Difusa Frontera entre los Organismos Unicelulares y Pluricelulares

Glaciaciones, aumento del oxígeno y grandes saltos evolutivos

Respirando piedras

El metabolismo aeróbico podría ser más antiguo de lo que se pensaba. Se ha descubierto recientemente un grupo de bacterias productoras de oxígeno, que evolutivamente podían haber aparecido antes que los organismos fotosintéticos en la Tierra. Estas bacterias consumen el oxígeno que ellas mismas producen. Este hallazgo además tiene importancia para entender otras formas de colonizar habitats poco usuales, como los que encontramos en Marte o Titán

Existe un grupo de microorganismos capaces de respirar el oxígeno que ellas misma generan (Ettwig, 2010), sugiriendo que esto microorganismos podían haber existido en la Tierra consumiendo oxígeno antes de que las cianobacterias y las plantas lo produjeran. El mecanismo utilizado por estas bacterias muestra que, hace mucho tiempo, estos microorganismos emplearon el metano (fuente de carbono y energía que existe también en lunas de otros planetas del sistema solar) produciendo un oxígeno que era empleado para respirar por ellos mismos.

Esta bacteria productora de oxígeno, llamada provisionalmente Methylomirabilis oxyfera vive en lodos lacustres pobres en oxígeno y ricos en metano. Los compuestos que esta bacteria oxida son metano, nitrato y nitrito. Hasta el momento de este descubrimiento sólo se habían identificado tres mecanismos de producción de oxígeno: la fotosíntesis, la reducción de cloratos y la conversión enzimática de especies reactivas de oxígeno.

Las bacterias anaerobias vivían solas en la Tierra hace 2500 millones de años sin oxígeno, por eso tenían que encontrar otros elementos a los que ceder electrones, por eso utilizaban minerales ricos en hierro (Fe) y el manganeso (Mn), es decir, eran capaces de respirar piedras.

El Profesor David Richardson, de la Universidad de East Anglia, descubrió que las bacterias emiten los electrones sobrantes fuera de su cuerpo a través de la pared bacteriana, para que sean aceptados por piedras ricas en estos compuestos, o sea, emiten descargas eléctricas al exterior. Según este investigador estas bacterias anaerobias utilizan petróleo como alimento y "piedras" para respirar, es decir, como aceptoras de electrones.

La Shewanella, prima de nuestra E. coli es una bacteria capaz de reducir metales pesados. La respiración celular de estas bacterias no se limita a los metales pesados​​; dicha bacteria también puede usar sulfatos, nitratos y cromatos cuando crece anaeróbicamente.

Limonita, también conocida como hierro de los pantanos se forma por deposiciones de hierro originadas por el metabolismo de cierto grupo de bacterias.Es una forma muy porosa, con escasa densidad y muy ligera. Es frecuente observar a simple vista restos vegetales (de hecho está formada por multitud de hebras de raicillas).

La vida estaba presente durante todo el Arcaico limitada a los organismos procariotas.

Hace unos 3500 millones de años, durante la Era Paleoarcaica, las bacterias comienzan con la fotosíntesis, que inicialmente era anoxigénica, por lo que no desprende oxígeno. En la actualidad, las bacterias verdes del azufre y no del azufre, y las bacterias púrpura realizan este tipo de fotosíntesis. No sería hasta hace unos 2800 millones de años, durante la Era Neoarcaica, cuando surjan los primeros organismos capaces de realizar la fotosíntesis oxigénica (como las cianobacterias) y comiencen a liberar oxígeno molecular al medio ambiente.

Uno de los eventos más importantes del Proterozoico fue el aumento de la concentración de oxígeno en la atmósfera de la Tierra. Aunque el oxígeno producido como sustancia de desecho por la fotosíntesis comenzó a producirse ya hace 2800 millones de años, en el Eón Arcaico, el porcentaje de oxígeno en la atmósfera se mantuvo probablemente a sólo un 1% al 2% de su nivel actual hasta que los sumideros químicos (oxidación de azufre y hierro) se saturaron hace aproximadamente 2450 millones de años, cuando comienza la Gran Oxidación. Las formaciones de hierro bandeado, que proporcionan la mayor parte de mineral de hierro del mundo son el resultado de estos sumideros químicos de oxígeno. La formación de estas estructuras cesó hace 1.900 millones de años.

Durante el proterozoico es cuando aparece la primera célula eucariótica, a partir de la simbiosis de varias bacterias. Este grupo de seres vivos se les conoce como el nombre de protozoos. Cuando los protozoos comienzan a formar los primeros seres pluricelulares es cuando empiezan a aparecer los primeros fósiles. De este tipo de fósiles se conservan innumerables ejemplos en el yacimiento de Ediacara. A partir de entonces ocurre una explosión de formas pluricelulares. Es en ese momento cuando entramos en el eón Fanerozoico, que comienza hace 542 millones de años y que dura hasta nuestros días. El periódo más antiguo del Fanerozoico es el periódo Cámbrico.

Las glaciaciones como motor de la evolución

Glaciaciones-Tierra helada (Miracle Planet II). Fuente: Director Hideki Tazuke. Oliver Julien. Producido por NHK

Min 20. Las bacterias metanogénicas hace 2000 millones de años vivían en todos los océanos del planeta liberando metano. El metano es un gas invernadero mucho más potente que el CO2

Si el metano en la atmósfera terrestre era capaz de mantener la temperatura de la Tierra por encima de los 0ºC (por debajo de esa temperatura el agua se congela)

Min 20:50 la atmósfera hace 2000 millones de años era rojiza debida al metano. Las metanobacterias liberaban metano sin parar. Es entonces cuando aparecen las cianobacterias. Al producirse 02 en grandes cantidades el metano se redujo

La reducción del metano fue drástica por lo que privada de su metano la Tierra comenzó una glaciación masiva conocida como  Glaciación euroniana  

Min 36:25 Tras el segundo periodo de glaciación ocurrido hace 600 millones de años la concentración del oxígeno en la atmósfera pasó del 1% a 20% ¿Cómo ocurrió esto? Min 37:25: A pesar del hielo, los volcanes seguían siendo muy activos y producían CO2 que se acumulaba en la atmósfera, no disuelto en el agua como ocurre ahora. Esto era así porque no había agua líquida. Se encontraba toda en forma de hielo. Al aumentar el CO2 aumentó el efecto invernadero provocando que el hielo se fundiese. El calor continuó, al llegar el agua de mar a 45ºC se produjeron grandes ciclones de 10.000 km/hr. El fosforo y otros nutrientes que se encontraban en el fondo del océano durante la gran glaciación surgieron de los fondos gracias a las tormentas. Ello provocó un rico caldo que fue aprovechado por las cianobacterias para producir una cantidad ingente de oxígeno que pasó del 1% de la atmósfera a 20%, similar al 21% de hoy en día.

Esto generó dos grandes saltos en la evolución: el primero el paso de las células procariotas a las eucariotas, el segundo paso, el de los organismos unicelulares a los multicelulares.

La relación entre las glaciaciones y los saltos evolutivos quedaría así:

Cuando se representa el tiempo geológico se suele representar en eones. Un Eón es el mayor de los períodos en que se considera dividida la historia de la Tierra desde el punto de vista geológico y paleontológico. Hay solamente cuatro eones: Hádico, Arcaico, Proterozoico y Fanerozoico. Los tres primeros se agrupan en un único supereón, el Precámbrico.

La vida aparece en el eón Arcaico, hace 4000 millones de años. De este periodo nos quedan los fósiles llamados estromatolitos que se comienzan a formar hace 3.500 millones de años, con una abundancia máxima hace 1250 millones de años. Posteriormente se redujo su abundancia y diversidad, si bien actualmente continúan formándose en algunos lugares. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los primeros estromatolitos con origen microbiano confirmado son de hace 2724 millones de años

Estromatolitos como estos se pueden observar en Australia. Fuente

Las dos grandes glaciaciones, del periodo huroniano (hace 2200 ma) y criogénico (hace 600 ma) fueron responsables de la aparición de la célula eucariota y de los seres multicelulares

Para saber más: 

Ettwig, K. F. et al. Nitrite-driven anaerobic methane oxidation by oxygenic bacteria. Nature 464, 543-548 (25 March 2010).