Aparece el oxígeno atmosférico y el mundo se divide en dos

Se asume que el primer ribozima del cual procede toda la vida de la Tierra, un organismo hipotético al que se le conoce como Luca, por la sigla en inglés de “último ancestro común universal” (Last Universal Common Ancestor), y se calcula que vivió hace aproximadamente 4000 millones de años, cuando la Tierra tenía apenas 560 millones de años de edad, 400 años después de la aparición de esta forma de vida, 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.                                                      

                                                                    Luz solar

                                               6 H₂O + 6CO₂  ------------>   6O₂ + Glucosa

Fig. 1: Reacción química de la fotosíntesis

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. Hace 2500 millones de años se alcanzó unas concentraciones de oxígeno similares a las que tenemos actualmente, en donde el 21% de la atmósfera que respiramos es O₂. 

Recapitulando, básicamente si la vida tiene 4000 años sobre la Tierra, hasta alcanzar el nivel de oxígeno actual, el planeta estuvo 1500 millones de años y los 2500 millones de años hasta la actualidad con un planeta dividido en dos: el mundo sin oxígeno, también llamado anaerobio y el mundo aerobio. 

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.

A nivel planetario, el oxígeno se concentró en la atmósfera y en las capas superficiales de océanos, ríos y lagos. En las profundidades de los mismos, en el interior de la superfice terrestre... esos lugares siguieron siendo anaerobio, y allí donde nosotros no podemos vivir viven todavía las arqueobacterias anaerobias que reinaron en el planeta durante 1500 millones de años. 

Durante esos 1500 millones de años, las arqueobacterias desarrollaron todo tipo de rutas metabólicas. Donde nosotros respiramos oxígeno y oxidamos básicamente los azúcares que comemos, ellas oxidaban compuestos que son extremadamente tóxicos para nosotros como el ácido sulfhídrico (H₂S), que son compuestos inorgánicos. Se podría decir que si nosotros quemamos azúcares, ellas quemaban piedras. El metabolismo de los organismos aerobios es similar en todos nosotros. El famoso ciclo de Krebs que se estudia en bioquímica I. En cambio las arqueobacterias exhiben distintos tipos de rutas metabólicas. Es algo que podemos visualizar mediante la Columna de Winogradsky.

Una columna para tenerlos a todos

Con el experimento de la Columna de Winogradsky podemos visualizar fácilmente como el mundo se divide en dos: aerobio, en presencia de oxígeno y anaerobio en ausencia de él. Las condiciones anóxicas surgen a tan sólo unos pocos milímetros de la superficie. Debido a esta deficiencia de oxígeno, aquellos organismos que habitan estos ambientes deben ser capaces de sobrevivir respirando compuestos distintos del O2. En este caso, los microorganismos anaerobios pueden respirar aceptores de electrones como el nitrato, hierro férrico (III), óxido de manganeso (IV), sulfato y dióxido de carbono para producir biomasa y la energía que ellos consumen. 

Fig. 2. En el experimento clásico de la columna de Winogradsky en el fondo de la columna se le añade papel de periódico como fuente de hidratos de carbono, la glucosa presente en la celulosa del papel y un huevo que proporcionará el azufre. A esa mezcla de azucar y proteínas se le añade sedimentos de una charca, estero o laguna. Se cubre de agua. A la izquierda se puede observar los sedimentos según se le han añadido a la columna. A la derecha, dos meses después de haber empezado el experimento se observan los distintos estratos de bacterias que están respirando en ausencia de oxígeno el azucar y el huevo que se encuentran en la base.

 Fig. 3. Las relaciones que se establecen entre los distintos modos de “alimentación” microbiana constituyen ecosistemas complejos pero se pueden observar, de forma sencilla, con una columna Winogradsky. Fuente

Cardio y pesas

Todos los que hemos ido a un gimnasio sabemos que tienen dos partes diferenciadas: la de los ejercicios de cardio y las pesas. Esa división tiene que ver también con esta división del mundo anaerobio y el mundo aerobio. El metabolismo energético de la célula humana, de una célula eucariota, con núcleo y organelas, está dividido en dos rutas, una ruta anaerobia, sin oxígeno, en la se rompe la molécula de azucar en dos moléculas de acetil-CoA y otra ruta aerobia que comprende el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa fosforila. Estas dos reacciones degradan el acetil-CoA hasta HO₂ y CO₂ 

La ruta anaerobia es una ruta rápida y genera por cada molécula de azucar dos ATPs. Esta molécula, el ATP, es  como vamos a ver el dolar de todas las transacciones energéticas de la célula. La ruta aerobia, toma el acetil-CoA y lo degrada a dos moléculas muy pobres energéticamente, , y libera 30 ATPs. Mucho más eficiente energéticamente. Sin embargo, esta ruta es más lenta que la ruta anaerobia.

La rapidez e inmediatez es lo que buscamos cuando levantamos pesas, por eso usamos el metabolismo anaerobio. Cuando queremos obtener energía y al mismo tiempo hacer un ejercicio durante mucho tiempo, el típico ejercicio de cardio, usamos el metabolismo aerobio. 

El ATP es la moneda energética de la célula

Es por así decirlo la gasolina que mueve todas las reacciones enzimáticas en la célula. En nuestras gasolineras existe dos tipos de combustibles: la gasolina y el diesel. En las células, tanto bacterianas como en las eucarióticas (las de humanos, plantas, hongos y protozoos), se usa básicamente el ATP. La molécula está compuesta de una base nitrogenada, la adenina, unida a un azucar, la ribosa, a la ribosa se le unen tres fosfatos inorgánicos. Que la adenina esté unida a una ribosa es otro ejemplo que apoya la teoría que dice que el primer ácido nucleico que soportó la vida fue el ARN y no el ADN como ocurre hoy en día en la mayoría de los organismos, excepto en los virus de tipo ARN.

Fig. 4. La molécula de ATP, en la imagen, tiene átomos con carga negativa, como son los oxígenos representados con estas esferas rojas. Está muy próximos entre si, se mantienen unidos al límite del enlace que los mantiene juntos. A poco que esta molécula se modifique el fósforo, en dorado, unido a los oxígenos, en rojo, del extremo izquierdo se van a desprender. Ese movimiento de repulsión es lo que va a mover todos los procesos que necesitan energía en la célula.

Los tres fosfatos inorgánicos son moléculas cargadas negativamente, y están unos al lado de los otros. ¿Habéis intentado alguna vez unir dos imanes por polos semejantes? los imanes se repelen y hace falta mucha fuerza para juntarlos. Eso es lo que ocurre con los tres fosfatos inorgánicos. Están unidos covalentemente pero se repelen y cuando el enlace covalente se rompe el fosfato saliente sale repelido y ese movimiento de repulsión hace mover todas las máquinas enzimáticas de la célula.Una de las acepciones de la Real Academia de la Lengua Española sobre la palabra "parsimonia": Frugalidad y moderación en los gastos. Esta es una caracteristica de los seres vivos. Cuando algo funciona no se cambia. ¿Cómo se va a seleccionar mejoras en algo que ya es inmejorable? esto es lo que le ocurre a moléculas como el ATP. Su estructura es igual en cualquier organismo que miremos.

Ahora que sabemos que tanto el metabolismo anaerobio y el aerobio sirven para que la célula posea esta molécula energética, surge la siguentes dudas: ¿Por qué tenemos dos tipos de metabolismo? ¿Por qué si somos seres que respiramos oxígeno tenemos un metabolismo anaerobio que no utiliza oxígeno? Lo veremos en el siguiente capítulo