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martes, 14 de junio de 2011

Dame un respiro

Probablemente el momento mas importante para la evolución de la vida en la Tierra fue cuando se dio la transición de una biología anaeróbica a una consumidora de oxigeno. Esto sucedió durante el periodo llama cámbrico, pero evidentemente la transición fue mas compleja de lo que uno se imagina, un aspecto que queda "pendiente" es entender como se dio el paso de adquirir la dependencia del oxigeno por parte de los seres vivos.

El detalle con esta transición es que se sabe que el llenar el océano de oxigeno fue causa de una extinción masiva, esto es lo que se esperaría ya que en esa época la mayoría de los seres vivos no estaban preparados para la una elevada presencia de ta corrosivo elemento. Así que si para aquellos organismos el oxigeno era nocivo ¿como se dio tal adaptación?

Poco elegantes montones de bacterias, ancestros de este poco elegante montón de bacterias pueden explicar detalles acerca de la forma en la organismos se lograron adaptar a la presencia de oxigeno en los océanos primitivos.

Esta claro que consumir oxigeno tiene sus privilegios, pues si se le combina con el azúcar en lo que comemos, esta se oxidará liberando energía que puede ser utilizada por la célula. Pero si uno tiene un metabolismo que funciona SIN oxigeno, la presencia constante de dicho elemento sera en el mejor de los casos molesta. entonces, si asumimos que en todo el océano la cantidad de oxigeno disuelto fue aumentando de manera uniforme y constante tendriamos que los seres vivos se enfrentarían a un cambio descrito como "de estar sin oxigeno a no tener otra opción mas que utilizar el oxigeno" es decir no se tendría de un paso intermedio donde se "estimule" a los organizamos a adoptar el venenoso gas como forma de vida. Sería un cambio brusco en términos evolutivos en un tiempo comparativamente corto.

Pero recientemente se descubrió que algunas especies de microorganismos podrían haber jugado un papel importante en "estimular" a los seres microscópicos a utilizar el oxigeno poco a poco sin cambios muy radicales. Estos microorganismos eran grupos de bacterias que emiten oxigeno y que generan colonias sobre las cuales los niveles de oxigeno suelen ser mas altos.

Ahora, pensemos en un océano primitivo, lleno de agua con poco oxigeno y seres que están felices en esas condiciones. Algunas bacterias fotosintetizadoras forman una colonia sobre la cual los niveles de oxigeno son mayores que el agua circundante. Si Pedro (de ahora en adelante le pondré nombres a los organismos, seres, criaturas o cualquier cosa que lo amerite) es un organismo que tiene cierta tolerancia al corrosivo oxigeno podría encontrar que tener un poco de este elemento en sus células es bueno para quebrar moléculas de azúcar y liberar mucha energía y podría regresar a su entorno sin oxigeno en cuanto sea necesario. Esto permitiría que los organismos se adapten paulatinamente aunque desde un punto de vista geológico aparente pasar muy rápido.

Así que gracias a que unas bacterias que vivían juntas y liberaban oxigeno, algunos seres lograron hacer la transición relativamente rápida a una biología basada en la oxidación lo que, entre otras cosas, dio lugar al Cámbrico, esto dio inicio al orden natural de la biosfera como la conocemos hoy, pero sobre todo nos muestra como es posible explicar detalles de episodios aparentemente incoherentes en la evolución con solo considerar factores medio ambientales tan comunes que se suelen pasar por alto, tal como la presencia de especies microscópicas, como las bacterias.



sábado, 25 de julio de 2009

Historia Mundial 10 El nuevo mundo

Eon Fanerozoico (actual)
Era Paleozoica
Periodo Cámbrico, de hace 542 a 488 millones de años.


Desde el inicio del Cámbrico, ya nada fue igual. Después del largo periodo de aislamiento impuesto durante el periodo Criogenico que llevó a un distanciamiento genético de las poblaciones de cada especie y de la re-ocupación del mundo durante el periodo Ediacárico. Se tenia un planeta con una biósfera muy diferente a cualquier otro momento en la historia. Ahora una gran variedad de especies macroscópicas diferentes habitaban una gran diversidad de habitats y los cambios de los últimos eones generaban un ambiente nuevo en la Tierra.


Mapa de la Tierra durante el Cámbrico, Se pueden ver las grandes extensiones de mares someros en aguas ecuatoriales y tropicales.

Por primera vez se tenía acceso a depósitos de calcio sustanciales, el mar y le aire estaban llenos de oxigeno y grandes extensiones de mares poco profundos albergaban a los nuevos animales. Todo esto dio origen al escenario típico del Cámbrico, un mar somero y amplio con aguas donde los animales disponían de mucho oxigeno y calcio, las plantas de abundante luz y espacio para crecer. Esto permitió a las plantas aumentar su tamaño y generar aún mas oxigeno, lo que dió a los animales la posibilidad de contener una gran masa celular impulsada por la oxidación como método de obtención de energía. Adicionalmente la disponibilidad de calcio permitió la generación de estructuras de protección (caparazones y conchas).




Biodiversidad durante y después el Cámbrico. Arriba, cantidad total de familias. Abajo, separado por grupos.

Así, del viejo mundo, donde los seres vivían en relativa tranquilidad con sus vecinos, donde se alimentaban por medio de la filtración y tenían cuerpos blandos, sin protección y por lo general de movilidad limitada. Se pasa a una biósfera donde se dispone de mucha energía para moverse, donde se inicia de manera marcada la carrera armamentista que define la biósfera hasta nuestros días. El juego de la presa y depredador llegaba a un nuevo nivel.


Escena típica del mar Cámbrico. Un anomalocaris debora un trilobite recién capturado. Un opabinia de cinco ojos y una especie de "garra" y un wiwaxia cubierto de espinas y placas se ven en el fondo.

Ya no bastaba con estar esperando que la comida callera sobre uno o que pasara flotando, ahora se tenía que nadar, y hacerlo lo más rápido posible, aparecen los primeros dientes y garras para sujetar a las presas, también los primeros escudos y espinas para defenderse. Inicia la evolución de los primeros sistemas respiratorios activos, -ya no solo dejes que el oxigeno se filtre por tu piel, ahora succiona agua y retira el oxigeno a la fuerza-.


Otra escena de cacería de un anomalocaris en las cercanias del fondo marino.

Los primeros depredadores requerían nadar tras de las presas y las presas escapar, cada uno competía por tener un sistema respiratorio mas eficiente. Los depredadores aumentaban el número y tamaño de los dientes, mientras que las presas la longitud de las espinas y el grosor de sus escudos.


Uno de los habitantes mas extraños del Cámbrico, el Alucigenia es un fosil tan extraño que no se sabe si esta completo o no. Esta es una reconstrucción posible.

En este periodo aparecen los primeros órganos sensores avanzados, los primeros ojos fueron burdos receptores de luz incapaces de formar imágenes, solo servían para saber donde esta "arriba" y "abajo" (de donde viene la luz del sol es "arriba"). Pero no tardaron mucho en adquirir la habilidad de formar imágenes, en localizar a la presa y distinguir al depredador.


Entre los seres mayoritarios del Cámbrico, los trilobites fueron de los mas numerosos, se conocen fosiles de miles de especies, era un grupo tan amplio como los insectos de hoy.

Durante el Cámbrico aparece el primer gran depredador del mundo, en la misma lista donde pondríamos al Tigre de Bengala, al Tiranosaurio Rex y el Tiburón Blanco, estaría el Anomalocaris. Medía casi un metro, que en su tiempo era enorme, tenía de los ojos mas avanzados, un método de propulsión muy eficiente que a pesar de su gran tamaño le daba una gran velocidad y una serie de "dientes" afilados en forma de espina que sellaban el destino de quién cayera en las dos estructuras parecidas a brazos con espinas que se proyectaban de su cabeza. Pero seres como el Wiwaxia se defenderían con su completa cubierta de placas duras y espinas (era una especie de puerco espín acorazado marino).

El resultado de la adición de la competencia al ambiente biológico ya presente a principios del Cámbrico fue la evolución de una gran cantidad de especies nuevas, pero a diferencia del periodo Adiacarico, cuando se dio la radiación de los acritarcos, ahora se dio radiación en casi todos los grupos de seres vivos, fue una "radiaciones de radiaciones", un evento llamado "explosión del Cámbrico" y ha sido lo mas importante que ha pasado en la biósfera terrestre desde que inicio el dominio del DNA sobre el RNA.

Durante esta "explosión" aparecen no solo nuevas especies, sino géneros enteros. Por ejemplo, es cuando se diversifican los Trilobites, uno de los cuatro grupos de Artropodos, los otros tres son los Insectos, Aracnidos y Crustaceos. Imaginen la riqueza biológica de un grupo tan variado como los insectos actuales y comprenderán lo relevante que fueron los trilobites. Aparecen también (aunque solo con unos pocos ejemplares) los Cordados, es decir el grupo al cual pertenecemos los vertebrados. Esto es otro punto de referencia para la riqueza biológica del Cámbrico, piensen en todos los seres vertebrados de hoy, los tigres, leones, perros, humanos, ballenas, peces, tiburones, cebras, etc, etc. Durante el Cámbrico solo se contaban con unos pocos representantes (como el Pikaia) y cualquier otro animal vecino sería muy probablemente de otro grupo muy diferente.


Marella Esplendis, un animal bastante pequeño y sin embargo con ejemplos fosiles muy bien conservado. La estructura de este diminuto ser nos muestra lo complejos que eran ya los animales en esta época.

Entre los muchos grupos que aparecieron, solo algunos han sobrevivido. Y es importante revelar que desde entonces ningún nuevo filo (filo es el grupo mas básico en que se organizan los animales, por ejemplo los Cordados) a aparecido. Así, como podemos concluir, el Cámbrico fue el periodo de innovación genética mas relevante en la historia de la vida en la Tierra y es por esto que marco a la biósfera, desde entonces la fauna que existe es la llamada "fauna Cámbrica" toda basada en el mismo tipo de diseño de los animales (órganos internos formados por membranas y encapsulados dentro de mas membranas).

De todos los periodos en la historia, este debió de ser uno de los mas interesantes ( o para mí, el mas interesante) desde un punto de vista biológico. Millones de especies y filios diferentes, cientos de grupos y miles de subgrupos, una diversidad biológica que nunca se tendría de nuevo. Un mundo tan diverso que haría al actual parecer monótono.

Después de la explosión del Cámbrico, varias extinciones masivas reducirían la variedad existente en la biósfera, pero la tendencia general impuesta prevalecería; una cadena alimenticia basada en depredación y seres compuestos de sistemas compuestos de órganos.

Para terminar valdría la pena decir, que entre los muchos seres que aparecen en los mares del Cámbrico, uno es de especial relevancia para nosotros, el Pikaia. Este animalito nadador que parecía un gusano a medio aplastar fue de los primeros vertebrados (en realidad solo tenía una serie de anillos de cartílago vagamente similares a una columna vertebral) y es en consecuencia nuestro antepasado. El lugar del Pikaia en la cadena alimenticia no fue muy relevante, lo mas probable es que el Anomalocaris se la pasara en espera de encontrar un Pikaia desprevenido. Pero la estructura del Pikaia, el apoyar los músculos en esos anillos de cartílago, tener un sistema nervioso que le permitía reaccionar rápidamente y su forma aplanada le permitían suficiente velocidad como para escapar del Anomalocaris y buscar refugio.


El Pikaia, ancestro de los vertebrados, desde peces hasta hamsters y humanos, para todos este ser es un abuelo lejano.

Durante el Cámbrico, nadie hubiera dicho que el pequeño y no muy impresionante Pikaia sería uno de los mas prolíficos seres y que el gran y poderoso Anomalocaris quedaría en el olvido.

martes, 31 de marzo de 2009

Calendario Cosmico extendido y revisado

Algunos conocerán el concepto del calendario cósmico, introducido por Carl Sagan en su serie de divulgación Cosmos. El concepto es útil para poner un poco en perspectiva la escala del tiempo en el que solemos hablar en este blog. El objetivo del calendario cósmico es comprimir en un solo año la historia de todo el universo. Es decir, colocamos en el 1° de Enero el Big Bang y el momento presente en el 31 de Diciembre a las 12 de la noche. Decidí incluir algunos hechos que no se mencionan en el calendario de Sagan y he corregido algunos valores. De esta manera nos queda una tabla donde se muestra para cada mes, la fecha, hora y suceso, como la siguiente:

Enero

1 00:00:00 Big Bang. Inicia la historia del universo. El Big Bang "dura" 1x10^-35 s, es decir 0.00000000000000000000000000000000001 segundos en los cuales se generan discrepancias a nivel cuántico en la distribución de energía.
1 00:00:00 A los 1x10^-6 ( 0.000001 ) segundos, la distribución de energía define la que sería la forma tetradimencional del universo.
1 00:00:00 A los 3 segundos se forman los primeros núcleos ionizados de hidrógenos y helio ( se formó también un poco de litio y berilio pero fueron cantidades mínimas).
1 00:03:52.16 A los 10,000 años inicia la era de dominio de la radiación. Es cuando el universo se ha expandido lo suficiente como para permitir a la radiación fluir con libertad.
1 00:11:36.51 A los 300,000 años se pasa de la era de dominio de la radiación al dominio de la materia. Es cuando el volumen del universo es tal que el espacio se enfría lo suficiente como para permitir a los iones formar átomos neutros y así hacer el universo transparente, dando un aspecto parecido al actual.
8 01:28:21.35 A los 300 millones de años, se forman las primeras estrellas y galaxias. Aun no existían elementos pesados como los que forman los planetas.

Agosto

06 15:27:24.1 Hace 5,000 millones de años. Nace la estrella Sol.

Septiembre

18 15:55:43.42
Hace 3800, millones de años. Aparecen sobre la Tierra las primeras formas de vida. Estas eran apenas antecesoras del RNA, aún no se llegaba a la complejidad de una célula.
27 22:49:10.87 Hace 3500 millones de años. Aparecen los primeros Estromatolitos, las agrupaciones vivas mas antiguas conocidas, aun se encuentran en algunos lugares de Australia.

Diciembre

12 04:33:50.17 Hace 700 millones de años. Inicia la explosión del Cámbrico. Evolucionan los primeros animales
25 15:01:05.76 Hace 200 millones de años. Evolucionan los primeros mamíferos.
29 06:04:51.37 Hace 65 millones de años. Extinción de los Dinosaurios, inicia la era de dominio de los mamíferos.
31 23:36:46.99 Hace 600,000 años. Evoluciona el Homo Sapiens Arcaico
31 23:55:21.39 Hace 120,000 años. Evoluciona el Homo Sapiens Sapiens
31 23:59:01.95 Hace 25,000 años. Extinción de los Neandertales
31 23:59:27.49 Hace 14,000 años. Inicia la domesticación de los lobos, dando origen a los perros actuales.
31 23:59:59.999613055
Hace dos meses. Inicia "Galaxias y Fósiles" :)

¿Alguna fecha que quieran incluir (anterior a 30,000 años, para no amontonar todo en el último minuto)?

Nota:
Los cálculos fueron hechos con los siguientes valores y aproximaciones:
Edad del universo: 13583318897.7 años
Longitud del año: 365.0 dias exactos (en lugar de los aprox 365.25)
Longitud del día: 24 horas exactas
Velocidad de la luz: 300,000 km/s
Constante de Hubble: 72 km/(s*Mp)

martes, 24 de marzo de 2009

¿A quién le dices raro?

Por lo general se ve la evolución como un proceso tardado que actúa a paso lento y constante. Pero la historia de la vida en la Tierra es de lo mas complejo que uno pueda imaginar, el paso de una biósfera poblada por seres unicelulares en la Tierra primitiva, a la Tierra actual con su complejidad de seres y hábitats diferentes es larga y está llena de capítulos muy interesantes. Uno de ellos, es el periodo Cámbrico.

Reconstrucción del Anomalocaris, primer gran depredador, comiendo un Trilobite. Abajo (en verde) se ve un Opabinia, el único animal conocido con cinco ojos. Un Wiwaxia parecido a una esponja con púas se ve abajo a la izquierda.

Este es un periodo que inició hace unos 540 y terminó hace 488 millones de años. Lo interesante es que los seres vivos antes del cámbrico no se parecen a los que vivieron durante o después del mismo. En cada una de estas etapas, el "antes, durante y después" la vida tenía formas diferentes. Y no solo eso, la complejidad tanto de los seres vivos, como de la biósfera aumentó significativamente.

Mapa del planeta Tierra hace 514 millones de años. Nuevas masas continentales surgen del nivel del mar, para dividir el enorme océano Pantalassaico. Nótese que México y Centro América estaban bajo el agua, lo que permite que tengamos fósiles de ese entonces (toda la vida estaba en el océano), sé de fósiles cámbricos encontrados en México,¿alguien a encontrado en Centro América?

Dejemos algo claro, el Cámbrico no ha sido la única explosión evolutiva, unos 33 millones de años antes a esta se dio otra que fue el origen de la fauna Ediacara (un conjunto de seres de estructura diferente), pero nos enfocaremos en el Cámbrico.

Para que el lector entienda la relevancia de este periodo tendría que ver la siguiente gráfica:

Cantidad de especies agrupadas por filio y en función del tiempo, desde al Cámbrico al presente.

En la cuál se ve la cantidad de familias de especies diferentes desde el Cámbrico hasta nuestros días. Nosotros, pertenecemos a los vertebrados que son uno de los grupos de los Cordados, (en inglés, Chordates), entre los cuales hoy se cuentan unas 60,000 especies (de las cuales, la mitad son peces). Pero en el cámbrico contábamos con la representación de solo unas pocas especies, se han encontrado solo unas pocas especies de cordados cámbricos (entre ellos el Yunnanozoon lividum,Cathaymyrus diadexus,Myllokunmingia fengjiaoa y el Pikaia) razón por la cuál, no se tiene mas que una delgada línea durante el cámbrico. Y como puede verse tanto los Cordados como los demás grupos engrosaron sus filas con nuevas especies durante un periodo relativamente corto. Pero lo mas llamativo no es que los grupos tuvieran mas especies, ¡sino que fue cuando surgieron la mayoría de los grupos en sí!

Cantidad total de familias animales. Nótese el incremento porcentual durante el Cámbrico.

Como puede verse en la gráfica, los Artrópodos fueron los mas numerosos (la línea es mas ancha), actualmente este grupo se divide en tres sub-grupos; los insectos, arácnidos y crustáceos. Pero durante el Cámbrico existía un cuarto grupo, los trilobites. Estos eran tan numerosos y variados como los insectos lo son hoy. En general, los artrópodos fueron los dominantes durante este periodo y entre sus filas se encuentran algunos animales que son mas extraños que las criaturas mas raras de ciencia ficción.

Tanta rareza se debió a que el cámbrico fue un periodo en el que se juntaron varios factores; un mar rico en oxigeno, la aparición de minerales con alto contenido de calcio en el fondo oceánico y la formación de grandes continentes. El oxigeno permitió cuerpos mas grandes y complejos, el calcio favoreció la secreción de una cubierta, o caparazón, y los nuevos continentes dividieron el océano generando nuevos ambientes donde la vida se enfrentaría a nuevos retos y nuevas formas de competir. Es decir, el Cámbrico fue un periodo de experimentación. Muchas especies evolucionaron, muchos grupos nuevos, pero solo unos cuantos sobrevivieron hasta nuestros días.

Fósil de trilobite, ciudadano típico de los mares cámbricos.

Entre los terricolas de entonces se cuentan criaturas que hoy no tienen paralelo alguno. Seres con un numero impar (cinco) de ojos. Criaturas que parecían mitad vertebrado, mitad insecto. Animales con su sistema respiratorio en las axilas. Otros con ojos en forma de champiñones y algunos tan extraños que no se sabe a que grupo, familia, o reino pertenecían. En este periodo es cuando aparece el primer gran depredador, el Anomalocaris, un gigante en su tiempo (media aprox. 1 metro). Inclusive hay un ser, justamente llamado Haluccigenia, que es tan extraño que no se sabe si los fósiles encontrados están completos o no. Tenía una "cosa" que parecía una cabeza, salvo que no tenía ni boca ni ojos ni nada de lo que va en la cabeza. un par de hileras de "cosas" que no se sabe si eran espinas o algún tipo de patas rígidas, y una serie de siete "tubitos" flexibles que se proyectan hacia afuera y terminan en orificios (¿bocas?), así como un grupo de pequeñas extremidades sin propósito aparente.

Aparte de lo interesante que es el cámbrico para aquellos que nos gustan las cosas extrañas y muertas, este periodo nos enseña dos cosas importantes sobre la evolución. Primero, que existen periodos de evolución rápida. Es decir, mientras que casi siempre la evolución es lenta, cuando cambian las condiciones y se tiene la posibilidad de adoptar nuevas formas, las especies rápidamente se adaptan para explotar las nuevas oportunidades y experimentar con nuevas formas y conductas. Segundo, de todas las formas posibles que surgen, solo unas cuantas llegan a sobrevivir.

Reconstrucción (arriba) y fósil (abajo) de un Pikaia, en la imagen inferior vemos dos Pikaias que murieron cerca uno del otro. Esto era lo más parecido a un humano que se encontraba en el cámbrico, al menos también tenía columna vertebral, bueno, una versión primitiva.

Vale la pena notar, que seres del grupos de los "dominantes" como el gran depredador Anomalocaris, no dejaron descendencia mas allá del Cámbrico, mientras que el pequeño y discreto Pikaia dejo como descendientes a todos los vertebrados actuales, desde peces y tiburones, a elefantes y humanos.
Hurdia Victoria, pariente recién descubierto del Anomalocaris, muy parecidos salvo por el caparazón de propósito desconocido enfrente de la cabeza.

Mientras que otros, como el Haluccigenia, se piensa que no dejo descendientes (si es que está entero).

Reconstrucción (arriba) y fósil (abajo) del Haluccigenia. Interpreten el animal como quieran, los paleontólogos no saben que hacer de él.


Reconstrucción (arriba) y fósil (abajo) del Marella Splendis. un animalito muy común del cámbrico, el que tenía el sistema respiratorio justo debajo de las patas. Según la leyenda y chisme, el descubridor de este interesante, aunque poco estético animalito se emocionó tanto con el estado de preservación del fósil, que lo nombró en "honor" a su esposa. Se desconoce cuantas noche pasó en el sillón.

Mucho falta todavía por estudiar de los fósiles de tan activo periodo, mientras tanto, de cuando en cuando salen noticias sobre nuevos y extraños organismos de los mares de nuestro planeta, en un tiempo mucho antes de que las plantas se asomaran a tierra firme.


Myllokunmingia fengjiaoa, una especie primitiva de algo parecido a un pez del cámbrico.