Fotosíntesi i vida vegetal

En aquest article parlarem de la fotosíntesi i de les primeres formes de vida vegetal. En la sistemàtica actual , el nom de planta s’ajusta a plantes principalment del medi terrestre, en canvi, el terme vegetal és més antic i de connotació aristotèlica que fa referència a organismes amb funcions fotosintètiques. Però, com en tot, hi ha excepcions. 

La paraula planta va sorgir fa moltíssim temps. Però, prèviament, Aristòtil va ser qui va diferenciar els éssers vius en tres grans grups:

• Vegetals (ànima vegetativa): realitzen la nutrició i reproducció.
• Animals (ànima sensitiva): nutrició, reproducció, percepció, moviment i desig.
• Ésser humà: afegeix a la llista anterior la capacitat de raonament.

Aristòtil (Domini públic)

Aquesta manera simplista de percebre el món ha perdurat durant molt de temps, tot i que ha anat variant amb els estudis de diferents autors com Linné o Whittaker, entre d’altres.

Una classificació molt actual és la proposada en 2012, The Revised Classification of Eukaryotes. J. Eukariot. Microbiol. 59 (5): 429-493; i ens revela un veritable àrbre de la vida.

Sina ;. Adl, et al. (2012) The revised classification of Eukaryotes.  J Eukaryot Microbiol.; 59 (5): 429-493

¿QUÈ ÉS LA FOTOSÍNTESI? ¿ÉS UN PROCÉS ÚNIC?

La fotosíntesi és un procés metabòlic que permet utilitzar l’energia lumínica per transformar compostos simples i inorgànics en complexos orgànics. Per això és necessari un conjunt de pigments fotosintètics  que captin els raigs de llum i que mitjançant una sèrie de reaccions químiques puguin realitzar processos interns que donin lloc a compostos orgànics.

Aquesta opció nutritiva ha sigut desenvolupada per molts organismes en múltiples grups i branques de l’arbre de la vida dels eucariotes I entre ells trobem als Archaeplastida, el llinatge d’organismes que ha donat peu a les plantes terrestres.

Les plantes terrestres (Embryophyta) es poden definir fàcilment, però i les algues? En general, es diu que són organismes eucariotes que viuen principalment en medi aquàtic i que tenen organització relativament simple (colònies simples o amb òrgans senzills), però això no és sempre cert. Per aquest motiu, tot els grups d’Archeaplastida que queden fora del concepte de planta terrestre (petit grup dins dels Archaeplastida) es denominen “algues“.

També hi ha procariotes fotosintètics dins del domini Eubacteria, i es en aquests on la fotosíntesi presenta una gran variabilitat. En canvi, en els eucariotes és única: la fotosíntesi oxigénica.

El domini eubacteria és molt ampli, i en les seves ramificacions hi ha fins a 5 grans grups d’organismes fotosintètics: Chloroflexi, Firmicutes, Chlorobi, Proteobacteria i Cianobacteris. Aquests últims són els únics eubactèris que realitzen una fotosíntesi oxigénica; amb alliberació d’oxigen de les molècules d’aigua i utilitzant com a donar d’electrons l’hidrogen de l’aigua. La resta duu a terme la fotosíntesi anoxigénica on el donador d’electrons és el sofre o sulfur d’hidrogen, però mai alliberen O₂ i molt rarament intervé l’aigua en el procés; és per això que es coneixen com les bactèries vermelles o porpres del sofre.

La fotosíntesi és, probablement més antiga que la vida mateixa. La oxigénica que està circumscrita a aquest grup de bactèries és probablement posterior, però va resultar imprescindible per al desenvolupament de la vida en el nostre planta, ja que va transformar l’atmosfera en una molt més oxigenada i gràcies a això la vida a la Terra ha pogut evolucionar.

Amazones, el pulmó de la Terra (Autor: Christian Cruzado; Flickr)

¿QUINS PIGMENTS S’UTILITZEN?

Els cianobacteris comparteixen pigments amb les plantes terrestres i la resta d’eucariotes fotosintètics. Aquests pigments són principalment clorofil·les a i b (les universals), essent la c i d només presents en alguns grups. A més hi ha dos pigments que també són universals: els carotens, que actuen com antenes que transfereixen l’energia a les clorofil·les i protegeixen el centre de reacció contra l’autooxidació, i les ficobiliproteínes (ficocianina, ficoeritrina, etc.), que apareixen tant en cianobacteris com en altres grups fotosintètics i s’encarreguen de capturar l’energia lumínica.

Però, perquè hi ha aquesta variabilitat de pigments accessoris? perquè cada pigment té un espectre d’absorció diferent, i al presentar diferents molècules es pot recollir molt millor l’espectre de la llum solar, és a dir, la captació d’energia és molt més eficient.

La resta de bacteris fotosintètics anoxigènics no tenen clorofil·les, i, en el seu lloc, tenen molècules especifiques de procariotes, les bacterioclorofil·les.

Espectre d’absorció de diferents pigments (Font: York University)

¿On es situen els pigments?

En organismes amb fotosíntesi oxigénica, els cianobacteris i els eucariotes fotosintètics, els pigments es troben en estructures complexes. En els cianobacteris, en el citoplasma perifèric hi ha una sèrie de sacs aplanats concèntrics denominats tilacoides, els quals només estan rodejats per una membrana. Al lumen tilacoïdal és on es localitzen els pigments. En els eucariotes, en canvi, trobem els cloroplasts: orgànuls intracel·lulars propis dels eucariotes fotosintètics on es realitza la fotosíntesi, que tenen com a mínim dues membranes, encara que poden ser més, i que presenten diversos tilacoides disposats de diferents maneres segons els organismes. Tots dos grups, per tant, realitzen la fotosíntesi oxigénica i tenen tilacoides; la diferencia és que en els eucariotes, els tilacoides es troben a l’interior dels cloroplasts.

Cél·lules vegetals en les que són visibles els cloroplasts (Autor: Kristian Peters – Fabelfroh)

En canvi, en organismes amb fotosíntesi anoxigénica hi ha diverses opcions.Les bactèries porpres contenen pigments en cromatòfors, una espècie de vesícules al centre o la perifèria de la cèl·lula. Per una altra banda, en les bactèries verdes (Chlorobi y Chloroflexi) es troben vesícules aplanades a la perifèria de la cèl·lula sobre la membrana plasmàtica on estan les bacterioclorofil·les. En Heliobacterium, el pigment està adossat a la cara interna de la membrana plasmàtica. Generalment no són estructures complexes, i acostumen a presentar membranes simples.

ORIGEN DELS ORGANISMES FOTOSINTÉTICS

L’evidència fòssil dels primers organismes fotosintètics són els estromatòlits (3,2 Ga).Són unes estructures formades per capes fines superposades d’organismes juntament amb els seus depòsits de carbonat càlcic. Aquestes formacions apareixen en zones someres, de mars càlids i ben irradiats. Encara que moltes tenen forma de columna, s’observen desviacions, ja que s’orienten cara al Sol. En el seu moment, van tenir una importància capital en la construcció de formacions d’esculls i, també, en els canvis de composició de l’atmosfera. Actualment hi ha alguns que encara segueixen vius.

Estromatòlits (Autor:Alessandro, Flickr)

REFERÉNCIES

• Apunts obtinguts en diverses assignatures durant la realització del Grau de Biologia Ambiental (Universitat Autònoma de Barcelona) y el Màster de Biodiversitat (Universitat de Barcelona).
• Font Quer, P. (1953): Diccionario de Botánica. Editorial Labor, Barcelona.
• Izco, J., Barreno, E., Brugués, M., Costa, M., Devesa, J. A., Fernández, F., Gallardo, T., Llimona, X., Parada, C., Talavera, S. & Valdés, B. (2004) Botánica 2.ªEdición. McGraw-Hill, pp. 906.
• Willis, K.J. & McElwain, J.C. (2014) The Evolution of Plants (second edition). Oxford University Press, 424 pp.

Evolució per a principiants

L’evolució biològica encara no és ben compresa pel públic general, i quan parlem d’ella en el nostre llenguatge abunden expressions que confonen encara més com funcionen els mecanismes que donen lloc a la diversitat d’espècies. A través de preguntes que potser t’has formulat alguna vegada, en aquest article farem un primer apropament als principis bàsics sobre evolució i desmitificarem falses idees sobre ella.

L’EVOLUCIÓ ÉS REAL? NO ÉS NOMÉS UNA TEORIA, UNA IDEA NO DEMOSTRADA DEL TOT?

Fora de l’àmbit científic, la paraula “teoria” s’usa per referir-se a fets que no han estat provats o suposicions. Però una teoria científica és l’explicació d’un fenomen recolzada per proves i evidències, resultat de l’aplicació del mètode científic.

Esquema del mètode científic. Imatge per Mireia Querol adaptada de Lauro Chieza

Com es desprèn del diagrama, les teories poden ser modificades, millorades o revisades si es prenen noves dades que no segueixin recolzant la teoria, però sempre es basen en unes dades i experiments repetibles i comprovables per qualsevol investigador per a ser considerats com a vàlids.

Així doncs, poca gent posa en dubte la Teoria Heliocèntrica (la Terra gira al voltant del Sol), o la Teoria Gravitatòria de Newton, però en l’imaginari popular se segueix creient que la Teoria de l’Evolució formulada per Charles Darwin (i Alfred Russell Wallace) és simplement una hipòtesi i que no té evidències que la recolzin. Amb els nous avenços científics seva teoria ha estat millorada i detallada, però més de 150 anys després, ningú ha pogut demostrar que sigui incorrecta, just al contrari.

QUINES PROVES TENIM DE QUE L’EVOLUCIÓ ÉS CERTA?

Les evidències són múltiples i en aquest article no podrem aprofundir en elles. Algunes de les proves de les que disposem són:

• Registre paleontològic: l’estudi dels fòssils ens informa sobre les semblances i diferències d’espècies de fa milers o milions d’anys respecte les actuals i permet establir parentius entre elles.
• Anatomia comparada: la comparació de certes estructures que són molt semblants entre organismes diferents, permet establir si tenen un avantpassat comú (estructures homòlogues, per exemple, cinc dits en alguns vertebrats) si han desenvolupat adaptacions similars (estructures anàlogues, per exemple, les ales de les aus i els insectes), o si han perdut la seva funció (òrgans vestigials, per exemple l’apèndix).

Òrgans homòlegs en humans, gats, balenes i ratpenats

• Embriologia: l’estudi d’embrions de grups emparentats mostra una gran semblança en les fases més primerenques del desenvolupament.
• Biogeografia: l’estudi de la distribució geogràfica dels éssers vius revela que les espècies habiten en general les mateixes regions que els seus avantpassats, encara que hi hagi altres regions amb climes similars.
• Bioquímica i genètica: les similituds i diferències químiques permeten establir relacions de parentiu entre diferents organismes. Per exemple, espècies més emparentades entre si presenten una estructura del seu ADN més semblant que altres més llunyanes. Tots els éssers vius compartim una part d’ADN, és a dir, part de les teves “instruccions” també es troben en una mosca, un planta, o un bacteri, prova que tots els éssers vius tenim un avantpassat comú.

ÉS CERT QUE ELS ORGANISMES S’ADAPTEN AL MEDI I ESTAN DISSENYATS PER VIURE EN EL SEU HÀBITAT?

Les dues expressions, freqüentment utilitzades, impliquen que els éssers vius tenen un paper actiu per adaptar-se al medi o “algú” els ha dissenyat perquè visquin perfectament on són. És el típic exemple de Lamarck i les seves girafes: a força d’estirar el coll per arribar a les fulles dels arbres més altes, com a resultat actualment les girafes tenen aquest coll per donar-li aquest ús. En tenir una necessitat, s’adapten a ella. És justament al revés: és el medi qui selecciona els més aptes, és a dir, la natura “selecciona” els que siguin més eficaços per sobreviure, i per tant reproduir-se. És el que es coneix com a selecció natural, un dels mecanismes principals de l’evolució. S’han de complir tres requisits perquè actuï:

• Variabilitat fenotípica: hi ha d’haver diferències entre individus. Algunes girafes tenien el coll lleugerament més llarg que altres, igual que hi ha persones més altes, baixes, d’ulls blaus o marrons.
• Eficàcia biològica: aquesta diferència, ha de suposar un avantatge. Per exemple, les girafes amb un coll lleugerament més llarg podien sobreviure i reproduir-se, mentre les altres no.
• Herència: aquests caràcters s’han de transmetre a la següent generació, amb la qual cosa els fills seran lleugerament diferents per a aquesta característica, mentre que la característica “coll curt” es transmet cada vegada menys.

La variabilitat en la població provoca que els individus amb característiques favorables es reprodueixin més i transmetin els seus gens a la següent generació, augmentant la proporció d’aquests gens. Imatge presa de Understanding Evolution.

Amb el pas dels anys aquests canvis és van acumulant, fins que les diferències genètiques són tan grans que algunes poblacions ja no es poden reproduir amb d’altres: hauria aparegut una nova espècie.
Si heu pensat que és un procés semblant a la selecció artificial que fem amb les diferents races de gossos, vaques que donin més llet, arbres que donin més fruits i més grans, enhorabona, teniu un pensament semblant al de Darwin ja que és va inspirar en uns quants d’aquests fets. Per tant, a els éssers vius som mers espectadors del procés evolutiu, dependents dels canvis del seu hàbitat i del seu material genètic.

¿PER QUÈ ELS ÉSSERS VIUS SÓN DIFERENTS ENTRE SI?

La variabilitat genètica permet que actuï la selecció natural. Els canvis en el material genètic (habitualment ADN) són causats per:

• Mutacions: canvis en el genoma que poden tenir conseqüències negatives o letals per a la supervivència, indiferents o beneficioses per a la supervivència i reproducció. En l’últim cas aquests gens passaran a les següents generacions.
• Flux genètic: és el moviment de gens entre poblacions (la migració d’individus permet aquest intercanvi al reproduir-se amb altres d’una població diferent).
• Reproducció sexual: permet la recombinació de material genètic d’individus diferents, donant lloc a noves combinacions d’ADN.

Les poblacions amb més variabilitat genètica tindrien sobre el paper més possibilitats de supervivència en cas de succeir algun canvi en el seu hàbitat. Poblacions amb menys variabilitat (per exemple, per estar aïllades geogràficament) són més sensibles a qualsevol canvi, cosa que pot provocar la seva extinció.

L’evolució pot observar-se en éssers amb una taxa de reproducció molt elevada, per exemple bacteris, ja que acumulen mutacions més ràpidament. Has sentit alguna vegada que els bacteris es tornen resistents als nostres antibiòtics o alguns insectes als pesticides? Evolucionen tan ràpidament que en pocs anys han estat seleccionats els més adaptats per sobreviure als nostres antibiòtics.

¿SOM ELS ANIMALS MÉS EVOLUCIONATS?

De la Teoria de l’Evolució es desprenen diverses conseqüències, com l’existència d’un ancestre comú i que per tant, som animals. Encara actualment, fins i tot entre els més joves, hi ha la idea que som una cosa diferent entre els éssers vius i ens situem en un pedestal especial en l’imaginari col·lectiu. Aquest pensament antropocèntric ja li va valer a Darwin burles i enfrontaments més de 150 anys enrere.

Caricatura de Darwin com un orangutan. Imatge de domini públic publicada per primera vegada el 1871

Utilitzem en el nostre llenguatge ser “més evolucionat” com a sinònim de més complex, i al considerar-nos una espècie que ha arribat a un alt nivell de comprensió del seu entorn, molta gent creu que l’evolució ha arribat a la seva fi amb nosaltres.

La pregunta té un error de formulació: en realitat l’evolució no persegueix cap fi, simplement succeeix, i el fet que el pas de milions d’anys permet l’aparició d’estructures complexes, no vol dir que formes de vida més simples no estiguin perfectament adaptades a l’hàbitat on es troben. Bacteris, algues, taurons, cocodrils, etc., s’han mantingut molt semblants al llarg de milions d’anys. L’evolució és un procés que va començar a actuar en el moment que va aparèixer la vida i segueix actuant en tots els organismes, fins i tot en nosaltres, encara que hem modificat la manera en què actua la selecció natural (avenços mèdics, tecnològics, etc.).

¿LLAVORS SI VENIM DEL MICO, PER QUÈ ENCARA HI HA MICOS?

La veritat és que no venim del mico, som micos, o per ser més rigorosos, simis. No hem evolucionat a partir de cap primat existent. Com vam veure en un article anterior, humans i la resta de primats compartim un ancestre comú i la selecció natural ha anat actuant de manera diferent en cada un de nosaltres. És a dir, l’evolució l’hem de visualitzar com un arbre, on cada branca seria una espècie, i no com una línia recta.

Primer esquema de l’arbre evolutiu de Darwin en el seu quadern de notes (1837). Imatge de domini públic.

Algunes branques deixen de créixer (les espècies s’extingeixen), mentre que altres segueixen diversificant-se. El mateix s’aplica per a la resta d’espècies, per si t’havies preguntat: “si els amfibis vénen dels peixos, per què hi ha encara els peixos?”. Actualment les anàlisis genètiques han aportat tal quantitat de dades que dificulten les relacions de parentiu de l’arbre clàssic de Darwin.

Classificació dels éssers vius basada en els tres dominis, Archaea, Bacteria i Eukarya segons dades de Carl R. Woese (1990). Dins d’Eukarya s’inclouen els regnes Protista, Fungi, Plantae i Animalia. Imatge de Rita Daniela Fernández.

L’evolució és un tema molt extens que segueix generant dubtes i controvèrsies. En aquest article hem intentat apropar a persones no iniciades alguns conceptes bàsics, en els quals podem aprofundir en el futur. Tens alguna pregunta sobre evolució? T’interessa aprofundir en algun tema que no haguem tractat? Pots deixar-nos els teus comentaris a continuació.

REFERÈNCIES

• Darwin’s Tree of Life is a Tangled Bramble Bush
• Algunas reflexiones sobre la clasificación de los seres vivos
• Museos vivos. Evidencias de la evolución
• Las ideas en la ciencia: Teoría, hipótesis y leyes
• Frequently asked questions about evolution
• Brock et. al. 1999. Biología de los microorganismos. Ed. Prentice Hall.
• Massa, Renato. El origen de la vida. La evolución de las especies. Ed. Susaeta.
• Imatge de portada