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¿Cuántas veces evolucionó la fotosíntesis?

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¿Fue una cosa 1 y hecha? Las plantas parecen haber desarrollado la fotosíntesis por endosimbiosis de cianobacterias. ¿Es esta última la única vez en la historia de la Tierra en que el proceso se produjo de forma independiente?

Cualquier respuesta sería muy apreciada


La aparición de la fotosíntesis se ha producido de forma bastante independiente en varios organismos. Una forma de ver esto es observar la distribución taxonómica de los centros de reacción de la fotosíntesis, que apunta a 5-10 orígenes según los datos actuales (principalmente en bacterias). Ese número tiene algunas barras de error grandes, ya que estamos hablando de ramas viejas y muy profundas del árbol de la vida.

Hay otros criterios que podríamos utilizar, por ejemplo, la evolución de la fijación de carbono. Sin embargo, eso incluye también la quimioautotrofia y, por lo tanto, es un poco más expansivo.

Tenga en cuenta que, según algunas definiciones, la adquisición de cianobacterias en plantas puede que ni siquiera represente una emergencia independiente de la fotosíntesis, ¡ya que las cianobacterias ya hicieron la fotosíntesis!

Si su pregunta es más concreta "cuántas veces evolucionó la fotosíntesis en eucariotas" (no bacterias o arqueas), entonces también necesitaría incluir animales que hacen la fotosíntesis de una manera similar (aunque creo que de manera menos eficiente que) las plantas. De manera similar, parecen usar la endocitosis para adquirir maquinaria fotosintética a partir de las células fotosintéticas que comen.

Actualizar En respuesta al comentario de @shigeta, agregaré que la revisión que vinculo se enfoca en los genes de los centros de reacción (RC). Señalan que los genes RC probablemente tuvieron una sola emergencia, pero que la transferencia horizontal de genes probablemente sea responsable de la distribución actual del rasgo del organismo de la fotosíntesis:

Evidencia significativa indica que la distribución actual de la fotosíntesis en bacterias es el resultado de cantidades sustanciales de transferencia horizontal de genes, que ha mezclado la información genética que codifica varias partes del aparato fotosintético, de modo que ningún diagrama de ramificación simple puede representar con precisión la evolución. de la fotosíntesis (Raymond et al., 2002).


Voy a ampliar mi comentario a una respuesta porque la discusión fue demasiado interesante.

la conclusión al final de la revisión citada es: "La evidencia actual sugiere que los primeros organismos fotosintéticos eran anoxigénicos, que todos los CR fotosintéticos se han derivado de una sola fuente y que los sistemas de antenas y las vías de fijación de carbono se han inventado varias veces". se puede ver en su árbol filogenético que RC1 y RC2 aparecen en todas estas ramas, lo que implica que provienen del mismo antepasado, perdido en el tiempo.

@maximillianPress señala en su comentario que la transferencia lateral de genes es muy común y esto crea el patrón exacto.Muchas funciones genéticas pueden surgir más de una vez, pero cuando miras el gen, si una proteína logra una función, como RC1 y RC2, su forma y secuencia detallada no se parecen entre sí.

Un ejemplo clásico es la evolución del ojo. Las manchas oculares y los fotosensores con lentes han evolucionado muchas veces en la evolución microbiana y pueden haber evolucionado por separado en moluscos frente a vertebrados, dependiendo de cómo se defina. La detección de luz es una innovación microbiana y los sensores de luz de opsina en animales se parecen mucho a los de las arqueobacterias.

Las enzimas constituyen un ejemplo más claro. Los estudios de algunas de las enzimas que metabolizan los carbohidratos muestran que algunas funciones específicas las cumplen múltiples familias de proteínas muy divergentes. El papel de una proteína puede cambiar con el tiempo, pero es muy inusual que cambie la forma en que se pliega la proteína.

Un tercer ejemplo son los cristalinos cuya función es formar el cristalino del ojo que debe permanecer estable durante toda la vida. En diferentes animales, estos genes son radicalmente diferentes: proteínas claramente diferentes pueden cumplir esta función. se trata de un papel genético que puede haber evolucionado dos veces, pero el papel es bastante amplio, por lo que ha sido desempeñado por diferentes proteínas en diferentes partes del árbol evolutivo más de una vez.

Mi pensamiento es que la transferencia lateral de genes microbianos puede confundir al árbol evolutivo, pero la dificultad de crear un centro de fotorreacción es mucho mayor. Solo hay una familia de proteínas del centro de reacción bacteriana, por lo que la evidencia predominante es que este fenómeno solo evolucionó una vez y puede haber sido transmitido por transferencia lateral de genes muchas veces desde entonces.


¿Cómo desarrollaron las plantas la fotosíntesis?

Cuando la última misión Apolo se dirigía a la Luna hace cuatro décadas, uno de los astronautas tomó una instantánea que se encuentra entre las más famosas en la historia de la NASA. Se la conoce como la fotografía de & # 8220blue marble & # 8221 porque muestra la Tierra, a unas 28.000 millas de distancia, como una esfera brillante, arremolinándose y en su mayoría azul. El color dominante no fue & # 8217t sorprendente & # 8212 & # 8217s el color de los océanos, que cubren casi las tres cuartas partes del planeta.

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Pero la Tierra no es la única en tener agua. Está en todas partes del universo, incluso ese vecino polvoriento de Marte, ahora es evidente, estuvo una vez inundado.

Lo que distingue a la Tierra no es & # 8217t de color azul sino verde, un verde que se aprecia mejor no desde el espacio, sino de cerca & # 8212 en un césped suburbano recién cortado, en nenúfares en un estanque de ranas, en un grupo de abetos en la ladera de una montaña . Es el verde de la clorofila y de la fotosíntesis.

La fotosíntesis es la naturaleza y la energía solar, su forma de aprovechar toda esa energía luminosa que proviene del sol. Las células solares modernas hacen esto con semiconductores, y la cosecha consiste en electrones, que fluyen después de ser excitados por fotones de luz. En la naturaleza, los electrones se excitan en el pigmento clorofila, pero eso es solo un primer paso. En última instancia, la energía se almacena en los enlaces químicos de los azúcares que, junto con el oxígeno, son productos de la fotosíntesis.

Esos productos transformaron la Tierra, el oxígeno endulzó la atmósfera y los azúcares proporcionaron alimento. Juntos, permitieron un florecimiento largo y lento de la vida que finalmente incluyó muchos organismos, entre ellos humanos, que no pueden realizar la fotosíntesis.

Las plantas han estado usando la luz de esta manera primordial para una gran parte de la existencia de la Tierra. Pero, ¿cómo obtuvieron la capacidad de realizar la fotosíntesis?

La respuesta corta es que lo robaron, hace aproximadamente mil millones y medio de años, cuando organismos unicelulares llamados protistas engullieron bacterias fotosintetizadoras. Con el tiempo, a través de la transferencia de genes con la ayuda de un parásito, las bacterias absorbidas se convirtieron en una parte funcional del protista, lo que le permitió transformar la luz solar en alimento. & # 8220Los tres lo hicieron posible & # 8221, dice el biólogo evolutivo de la Universidad de Rutgers, Debashish Bhattacharya. & # 8220El árbol de la vida implica una gran cantidad de inventos y robos. & # 8221 Una versión de esta pequeña máquina que contiene clorofila impulsada por la luz solar existe hasta el día de hoy en las células de las plantas. Se llama cloroplasto.

Los científicos todavía están aprendiendo sobre el complejo proceso, llamado endosimbiosis, por el cual una célula, como un protista, por alguna razón absorbe otros seres vivos para crear algo bastante nuevo en biología.

Los análisis genéticos de algas llevados a cabo por Bhattacharya sugieren que el evento endosimbiótico fundamental que dotó a las plantas del motor de la fotosíntesis ocurrió solo una vez en la historia temprana de nuestro planeta, en un ancestro común y un protista microscópico único que hizo del verde el color más importante de la Tierra. .

Este último hallazgo satisface un principio básico de la ciencia: la explicación más simple suele ser la mejor. La idea de que la endosimbiosis hubiera ocurrido una vez & # 8212 antes de que los protistas divergieran y evolucionaran en diferentes especies & # 8212 es mucho más sensata que la alternativa: que la endosimbiosis se repitió con cada nueva especie emergente.

La adquisición de la maquinaria de la fotosíntesis les dio a esos primeros organismos una enorme ventaja evolutiva, una que aprovecharon fácilmente. Durante los millones de años que siguieron, esta capacidad de hacer uso de la energía del Sol ayudó a dar lugar a la gran diversidad de seres vivos del planeta. Entonces, como ahora, la luz era igual a la vida.


Fotosíntesis en plantas y bacterias.

Hay dos tipos básicos de fotosíntesis: oxigenada, en la que se produce oxígeno, y anoxigénica, en la que no se produce oxígeno. Oxigenic es realizado por plantas y cianobacterias. Anoxigenico es llevado a cabo por varios tipos de bacterias verdes y moradas. Oxígeno implica dos fotosistemas que convierten la luz en moléculas de energía, que luego se utilizan para producir azúcares. Un fotosistema es un grupo de pigmentos como la clorofila que absorbe la luz. Anoxigenico involucra solo un fotosistema que logra lo mismo. Los fotosistemas de los dos tipos básicos de fotosíntesis son diferentes en estructura y composición, pero logran un objetivo similar.


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Comprender la evolución de las innovaciones complejas sigue siendo uno de los problemas más desafiantes de la biología (Lynch, 2007 Wagner, 2014). Los conocimientos a menudo provienen de estudios de laboratorio experimentales que manipulan sistemas bajo 'evolución dirigida' (Weinreich et al., 2006 Blount et al., 2012 Finnigan et al., 2012). Sin embargo, los rasgos complejos que han evolucionado muchas veces en linajes independientes presentan una oportunidad diferente, pero igualmente poderosa, para inferir las trayectorias evolutivas de rasgos nuevos.

En plantas con flores, C4 la fotosíntesis es una adaptación compleja y bien estudiada que ha evolucionado de forma independiente más de 60 veces (Sage et al., 2011). Muchas etapas clave compartidas a lo largo de la C4 trayectoria evolutiva se han identificado mediante el estudio de múltiples C4-grupos de plantas en evolución (por ejemplo, Kennedy et al., 1980 Ku et al., 1983 Vogan et al., 2007 Williams et al., 2013). Ahora en eLife, Udo Gowik y sus colegas de Heinrich-Heine-Universität, incluidos Julia Mallmann y David Heckmann como primeros autores conjuntos, presentan una nueva hipótesis convincente sobre cómo se realizaron los pasos evolutivos finales (Mallmann et al., 2014).

Aunque el dióxido de carbono atmosférico (CO2) los niveles están aumentando actualmente, los últimos 30 millones de años fueron testigos de grandes disminuciones en el CO2, lo que ha limitado la eficiencia de la fotosíntesis. Rubisco, la enzima fotosintética crítica que cataliza la fijación de CO2 en carbohidratos, también reacciona con el oxígeno cuando el CO2 los niveles son bajos y las temperaturas altas. Cuando esto ocurre, las plantas activan un proceso conocido como fotorrespiración, un conjunto de reacciones energéticamente caras que, lo que es importante para esta historia, liberan una molécula de CO.2.

C4 la fotosíntesis es una solución inteligente al problema del bajo nivel de CO atmosférico2. Es un mecanismo interno de concentración de carbono de la planta que elimina en gran medida la fotorrespiración: un sistema de "inyección de combustible" para el motor fotosintético. C4 las plantas difieren de las plantas con la 'C' más típica3'fotosíntesis porque restringen la actividad de Rubisco a un compartimento interno, típicamente la vaina del haz, con CO atmosférico2 fijándose en un ácido de 4 carbonos en el mesófilo externo. Esta molécula luego viaja a la vaina del haz, donde se descompone nuevamente, bañando Rubisco en CO2 y limitar el costoso proceso de fotorrespiración.

La evolución de la C4 la vía requiere muchos cambios. Estos incluyen el reclutamiento de múltiples enzimas en nuevas funciones bioquímicas, cambios masivos en la distribución espacial de proteínas y orgánulos, y un conjunto de modificaciones anatómicas en el tamaño y la estructura de las células. Es complejo y también muy eficaz: C4 Las plantas incluyen muchos de nuestros cultivos más importantes y productivos (maíz, sorgo, caña de azúcar, mijo) y son responsables de alrededor del 25% de la fotosíntesis terrestre global (Still et al., 2003).

Un paso intermedio clave en la evolución de C4 es el establecimiento de un mecanismo rudimentario de concentración de carbono. Denominado 'C2 fotosíntesis », este mecanismo limita ciertas reacciones del ciclo fotorrespiratorio a las células de la vaina del haz. Un subproducto de estas reacciones es el CO2, creando un CO ligeramente elevado2 concentración y aumento de la eficiencia de Rubisco en estas células. Aunque mucho más raro que C4 plantas, C2 Se han descubierto plantas en una variedad de C4-evolucionando linajes, y se cree que representan un paso intermedio común, si no un requisito, a lo largo de la C4 trayectoria (Sage et al., 2012).

Una implicación de un ciclo fotorrespiratorio restringido es el desarrollo de un desequilibrio de nitrógeno severo entre el mesófilo y las células de la vaina del haz. Esto ocurre porque cada molécula de CO2 producido en la vaina del haz va acompañado de una molécula de amoniaco. Si bien este desequilibrio de nitrógeno ha sido reconocido previamente (Monson y Rawsthorne, 2000), nunca se ha estudiado de cerca, y ciertamente nunca se consideró como potencialmente importante para el ensamblaje evolutivo de la C4 ruta.

Para investigar esto, Mallmann, Heckmann et al. combinó un modelo mecanicista de C2 función fisiológica con un modelo metabólico, lo que les permitió predecir la acumulación de ciertos metabolitos en función de las tasas de Rubisco y la actividad fotorrespiratoria. Luego modelaron las diversas vías bioquímicas que podrían inducirse potencialmente para equilibrar los flujos metabólicos entre el mesófilo y las células de la vaina del haz. Esta combinación creativa de modelos les permitió evaluar las diversas vías metabólicas para reequilibrar el nitrógeno en términos de qué vías resultaron en el mayor rendimiento de biomasa (un proxy de la aptitud).

Sorprendentemente, cuando los niveles bajos de C4 la actividad enzimática está permitida en el modelo, elementos clave de la C4 El ciclo se favorece como la vía de equilibrio del nitrógeno. Además, este modelo predice que con una C4 ciclo establecido, el aumento de la actividad de las enzimas da como resultado un aumento lineal en el rendimiento de biomasa. Permitiendo niveles bajos de C4 La actividad enzimática es biológicamente razonable, ya que estas enzimas están presentes de forma rutinaria en C3 sale de. Mallmann, Heckmann y col. apoyan sus predicciones modelo con datos experimentales de expresión génica de un conjunto de C3, C2, C4, y otros C3-C4 tipos intermedios en el linaje vegetal Flaveria, que muestran C elevado4 actividad del ciclo incluso en productos intermedios que no utilizan las enzimas para capturar carbono.

En otras palabras, una vez que una C2 se establece el ciclo, la evolución de un C plenamente realizado4 El proceso es bastante trivial. Una vez C4 se reclutan enzimas para transportar el nitrógeno de regreso al mesófilo, es casi inevitable. Esto puede explicar en parte por qué C4 ha evolucionado un número tan sorprendente de veces, y por qué muchos de estos orígenes están muy agrupados en el árbol de la vida. Muchos C4 Los grupos evolutivos probablemente comparten un ancestro que ya había adquirido una probabilidad elevada de evolucionar la vía (Figura 1).

Un 'panorama de evolución' para C4 fotosíntesis.

Muchas etapas intermedias a lo largo de la trayectoria evolutiva de C3 a C4 son bien conocidos (Sage et al., 2012). Estos se pueden mostrar como parte de un paisaje de aptitud adaptativa, que vincula las propiedades biológicas (eje horizontal) con la aptitud que producen (en el eje vertical derecho, una mayor altura indica una mayor aptitud). El panorama del fitness adaptativo del C4 La trayectoria fue modelada recientemente como 'Mt. Fuji-like ': una pendiente lineal pronunciada con cada paso a lo largo de la trayectoria que trae pequeños aumentos incrementales en la aptitud (Heckmann et al., 2013), representado aquí por la línea de puntos grises. Las ganancias en la probabilidad relativa de evolucionar C4, o la "accesibilidad evolutiva" de la vía, puede no ser tan lineal (línea negra del eje vertical izquierdo). A pesar de cierta flexibilidad limitada en el orden de adquisición de rasgos (Williams et al., 2013), dos etapas intermedias están relativamente fijas en su posición a lo largo de la trayectoria y también proporcionan aumentos pronunciados en C4 evolucionabilidad. Un paso temprano, una relación elevada de la vaina del haz: área de la sección transversal del mesófilo (relación BS: M) se identificó recientemente como un rasgo clave que precedió a múltiples realizaciones paralelas de C4 (Christin et al., 2013). Mallman y col. proponer una interacción mecanicista entre C2 y C4 fotosíntesis, lo que sugiere que la evolución de la C2 etapa de la trayectoria aumenta en gran medida la probabilidad de que la C4 la fotosíntesis seguirá rápidamente.

Esto también puede explicar por qué C2 las especies son tan raras en relación con C4 especie — C2 es probable que sea un paso en la trayectoria con una esperanza de vida evolutiva relativamente corta. Al mismo tiempo, plantea la cuestión de por qué un puñado de C2 las especies son persistentes: la C2 Mollugo verticillata grupo puede tener hasta 15 millones de años (Christin et al., 2011). Una hipótesis comprobable sería que estos C2 Las plantas han resuelto su problema de nitrógeno de una manera diferente, limitando así su propia accesibilidad evolutiva a C4 fotosíntesis. Si es así, esto resalta el papel clave de la contingencia en la adaptación y nuestro creciente poder para comprender y predecir los procesos macroevolutivos.


La fotosíntesis se originó mil millones de años antes de lo que pensábamos, muestra un estudio

Es posible que los primeros microbios productores de oxígeno no hayan sido las cianobacterias.

Los microbios antiguos pueden haber estado produciendo oxígeno a través de la fotosíntesis mil millones de años antes de lo que pensábamos, lo que significa que el oxígeno estaba disponible para los organismos vivos muy cerca del origen de la vida en la tierra. En un nuevo artículo en Heliyon, un investigador del Imperial College de Londres estudió las máquinas moleculares responsables de la fotosíntesis y descubrió que el proceso puede haber evolucionado hasta hace 3.600 millones de años.

El autor del estudio, el Dr. Tanai Cardona, dice que la investigación puede ayudar a resolver la controversia sobre cuándo los organismos comenzaron a producir oxígeno, algo que fue vital para la evolución de la vida en la tierra. También sugiere que los microorganismos que anteriormente creíamos que eran los primeros en producir oxígeno, las cianobacterias, evolucionaron más tarde, y que las bacterias más simples producían primero oxígeno.

"Mis resultados significan que el proceso que sustenta a casi toda la vida en la tierra hoy en día puede haber estado haciéndolo durante mucho más tiempo de lo que pensamos", dijo el Dr. Cardona. "Puede haber sido que la disponibilidad temprana de oxígeno fue lo que permitió a los microbios diversificarse y dominar el mundo durante miles de millones de años. Lo que permitió a los microbios escapar de la cuna donde surgió la vida y conquistar todos los rincones de este mundo, hace más de 3000 millones de años. . "

La fotosíntesis es el proceso que sostiene la vida compleja en la tierra: todo el oxígeno de nuestro planeta proviene de la fotosíntesis. Hay dos tipos de fotosíntesis: oxigenada y anoxigénica. La fotosíntesis oxigénica utiliza energía luminosa para dividir las moléculas de agua, liberando oxígeno, electrones y protones. La fotosíntesis anoxigénica utiliza compuestos como el sulfuro de hidrógeno o minerales como el hierro o el arsénico en lugar de agua, y no produce oxígeno.

Anteriormente, los científicos creían que la anoxigénica evolucionó mucho antes de la fotosíntesis oxigénica, y que la atmósfera terrestre no contenía oxígeno hasta hace unos 2.4 a 3.000 millones de años. Sin embargo, el nuevo estudio sugiere que el origen de la fotosíntesis oxigénica puede haber sido hasta mil millones de años antes, lo que significa que la vida compleja también habría podido evolucionar antes.

El Dr. Cardona quería saber cuándo se originó la fotosíntesis oxigénica. En lugar de intentar detectar oxígeno en rocas antiguas, que es lo que se había hecho anteriormente, miró en el interior de las máquinas moleculares que llevan a cabo la fotosíntesis: son enzimas complejas llamadas fotosistemas. Tanto la fotosíntesis oxigenada como la anoxigénica utilizan una enzima llamada Fotosistema I. El núcleo de la enzima se ve diferente en los dos tipos de fotosíntesis, y al estudiar cuánto tiempo hace que los genes evolucionaron para ser diferentes, el Dr. Cardona pudo averiguar cuándo ocurrió la fotosíntesis oxidativa por primera vez. .

Encontró que las diferencias en los genes pueden haber ocurrido hace más de 3.400 millones de años, mucho antes de que se pensara que se había producido por primera vez oxígeno en la Tierra. Esto también es mucho antes de que existieran las cianobacterias, microbios que se pensaba que eran los primeros organismos en producir oxígeno. Esto significa que debe haber habido predecesores, como las primeras bacterias, que desde entonces han evolucionado para llevar a cabo la fotosíntesis anoxigénica.

"Esta es la primera vez que alguien ha intentado medir el tiempo de la evolución de los fotosistemas", dijo el Dr. Cardona. "El resultado apunta a la posibilidad de que la fotosíntesis oxigenada, el proceso que ha producido todo el oxígeno en la tierra, en realidad comenzó en una etapa muy temprana de la historia evolutiva de la vida; ayuda a resolver una de las grandes controversias de la biología actual".

Un hallazgo sorprendente fue que la evolución del fotosistema no fue lineal. Se sabe que los fotosistemas evolucionan muy lentamente; lo han hecho desde que aparecieron las cianobacterias hace al menos 2.400 millones de años. Pero cuando el Dr. Cardona usó esa lenta tasa de evolución para calcular el origen de la fotosíntesis, se le ocurrió una fecha que era más antigua que la tierra misma. Esto significa que el fotosistema debe haber evolucionado mucho más rápido al principio, algo que una investigación reciente sugiere que se debe a que el planeta está más caliente.

"Todavía hay mucho que no sabemos sobre por qué la vida es como es y cómo se originó la mayoría de los procesos biológicos", dijo el Dr. Cardona. "A veces, nuestras conjeturas mejor fundadas ni siquiera se acercan a representar lo que realmente sucedió hace tanto tiempo".

El Dr. Cardona espera que sus hallazgos también puedan ayudar a los científicos que buscan vida en otros planetas a responder algunas de sus preguntas más importantes.


Evolución de las plantas

Como se muestra en Figura a continuación, se cree que las plantas han evolucionado a partir de un protista de alga verde acuática. Más tarde, desarrollaron adaptaciones importantes para la tierra, incluidos tejidos vasculares, semillas y flores. Cada una de estas adaptaciones principales hizo que las plantas se adaptaran mejor a la vida en tierra firme y fueran mucho más exitosas.

A partir de un antepasado simple de alga verde que vivía en el agua, las plantas finalmente desarrollaron varias adaptaciones importantes para la vida en la tierra.

Las primeras plantas

Las primeras plantas fueron probablemente similares a las Stonewort, un alga acuática representada enFigura debajo. A diferencia de la mayoría de las plantas modernas, las stoneworts tienen tallos en lugar de tallos rígidos, y tienen estructuras similares a pelos llamadas rizoides en lugar de raíces. Por otro lado, las stoneworts tienen estructuras reproductivas masculinas y femeninas distintas, lo cual es una característica de la planta. Para que se produzca la fertilización, los espermatozoides necesitan al menos una capa delgada de humedad para nadar hacia los óvulos. De todas estas formas, las primeras plantas pueden haberse parecido a las stoneworts.

Las flores de piedra modernas pueden ser similares a las primeras plantas. Se muestra un campo de agripalmas modernas (derecha) y un ejemplo de Charophyta, una división de algas verdes que incluye a los parientes más cercanos de las plantas más tempranas (izquierda).

Vida en la tierra

Cuando evolucionaron las primeras plantas, los animales ya eran los organismos dominantes en el océano. Las plantas también estaban limitadas a la capa superior de agua que recibía suficiente luz solar para la fotosíntesis. Por lo tanto, las plantas nunca se convirtieron en organismos marinos dominantes. Pero cuando las plantas se trasladaron a la tierra, todo estaba completamente abierto. ¿Por qué la tierra estaba desprovista de otra vida? Sin las plantas que crecen en la tierra, no hay nada de lo que puedan alimentarse otros organismos. La tierra no podría ser colonizada por otros organismos hasta que se establecieran las plantas terrestres.

Las plantas pueden haber colonizado la tierra hace 700 millones de años. Los fósiles más antiguos de plantas terrestres se remontan a unos 470 millones de años. Las primeras plantas terrestres probablemente se parecían a las plantas modernas llamadas hepáticas, como el que se muestra en Figura debajo.

Las primeras plantas terrestres pueden haber sido similares a las hepáticas como esta.

La colonización de la tierra fue un gran paso en la evolución de las plantas. Hasta entonces, prácticamente toda la vida había evolucionado en el océano. La tierra seca era un lugar muy diferente. El mayor problema fue la sequedad. Simplemente absorber suficiente agua para mantenerse con vida fue un gran desafío. Mantuvo las plantas tempranas pequeñas y cerca del suelo. También se necesitaba agua para la reproducción sexual, de modo que los espermatozoides pudieran nadar hasta los óvulos. Además, las temperaturas en tierra eran extremas y siempre cambiaban. La luz del sol también era fuerte y peligrosa. Puso a los organismos terrestres en alto riesgo de mutaciones.

Las plantas vasculares evolucionan

Las plantas desarrollaron una serie de adaptaciones que las ayudaron a hacer frente a estos problemas en tierra firme. Uno de los primeros y más importantes fue la evolución de los tejidos vasculares. Tejidos vasculares forman un sistema de plomería de plantas y rsquos y ldquoplumbing. & rdquo Llevan agua y minerales del suelo a las hojas para la fotosíntesis. También transportan alimentos (azúcar disuelto en agua) de las células fotosintéticas a otras células de la planta para su crecimiento o almacenamiento. La evolución de los tejidos vasculares revolucionó el reino vegetal. Los tejidos permitieron que las plantas crecieran y soportaran períodos de sequía en entornos terrestres hostiles. Las primeras plantas vasculares probablemente se parecían al helecho que se muestra en Figura debajo.

Las primeras plantas vasculares pueden haberse parecido a este helecho moderno.

Además de los tejidos vasculares, estas plantas tempranas desarrollaron otras adaptaciones a la vida en la tierra, incluida la lignina, las hojas, las raíces y un cambio en su ciclo de vida.

  • Lignina es una molécula de carbohidrato resistente que es hidrofóbica (& ldquowater temer & rdquo). Agrega soporte a los tejidos vasculares en los tallos. También impermeabiliza los tejidos para que no se filtren, lo que los hace más eficientes en el transporte de fluidos. Debido a que la mayoría de los otros organismos no pueden descomponer la lignina, ayuda a proteger las plantas de los herbívoros y parásitos.
  • Las hojas son ricas en cloroplastos que funcionan como colectores solares y fábricas de alimentos. Las primeras hojas eran muy pequeñas, pero las hojas se hicieron más grandes con el tiempo.
  • Raíces son órganos vasculares que pueden penetrar el suelo e incluso la roca. Absorben agua y minerales del suelo y los llevan a las hojas. También anclan una planta en el suelo. Las raíces evolucionaron a partir de rizoides, que las plantas no vasculares habían utilizado para la absorción.
  • Las plantas terrestres desarrollaron una generación de esporofitos diploides dominantes. Esto fue adaptativo porque los individuos diploides tienen menos probabilidades de sufrir los efectos dañinos de las mutaciones. Tienen dos copias de cada gen, por lo que si ocurre una mutación en un gen, tienen una copia de respaldo. Esto es extremadamente importante en tierra, donde hay mucha radiación solar.

Con todas estas ventajas, es fácil ver por qué las plantas vasculares se propagan rápida y ampliamente en la tierra. Muchas plantas no vasculares se extinguieron a medida que las plantas vasculares se hicieron más numerosas. Las plantas vasculares son ahora las plantas terrestres dominantes en la Tierra.


Angiospermas

Las angiospermas, o plantas con flores, son todas miembros del filo Anthophyta. Hay al menos 250.000 especies, lo que hace que el grupo sea fácilmente el más diverso de todos los filos de plantas. Comparten una serie de características que las distinguen de otros grupos de plantas. La más obvia es la posesión de flores, brotes muy modificados que portan las estructuras reproductivas masculinas y femeninas. También llevan a cabo un proceso llamado doble fecundación, en el que dos gametos masculinos (núcleos de esperma) se liberan del tubo polínico al interior del óvulo . Uno de estos núcleos de esperma se fusiona con un óvulo

Una tercera característica que separa las angiospermas de las gimnospermas es que los embriones de angiospermas están protegidos por una pared de ovario, que se convierte en una fruta después de que ha tenido lugar la fertilización. Por el contrario, los embriones de gimnospermas se mantienen relativamente desprotegidos en las superficies de las escamas que llevan óvulos en los conos femeninos.


La fotosíntesis es más antigua de lo que se pensaba, y la mayoría de los seres vivos podrían hacerlo

Inspirándose en el transporte de agua en las hojas naturales (mostrado), los investigadores han creado una "hoja" sintética microfabricada que puede generar energía a partir del flujo evaporativo. Crédito de la imagen: pdphoto.org

La mayoría de las bacterias modernas descienden de antepasados ​​que pudieron convertir la energía del Sol en combustible hace más de 3.500 millones de años.

La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas, las algas y las cianobacterias utilizan la energía del sol para producir azúcar a partir del agua y el dióxido de carbono, liberando oxígeno como producto de desecho. Pero algunos grupos de bacterias llevan a cabo una forma más simple de fotosíntesis que no produce oxígeno, que evolucionó primero.

Un nuevo estudio realizado por un investigador imperial sugiere que esta forma más primitiva de fotosíntesis evolucionó en bacterias mucho más antiguas de lo que los científicos habían imaginado, hace más de 3.500 millones de años.

La fotosíntesis sostiene la vida en la Tierra hoy en día liberando oxígeno a la atmósfera y proporcionando energía para las cadenas alimentarias. El aumento de la fotosíntesis productora de oxígeno permitió la evolución de formas de vida complejas como animales y plantas terrestres hace unos 2.400 millones de años.

Sin embargo, el primer tipo de fotosíntesis que evolucionó no produjo oxígeno. Se sabía que evolucionó por primera vez hace unos 3.5-3.8 mil millones de años, pero hasta ahora, los científicos pensaban que uno de los grupos de bacterias vivas en la actualidad que todavía usa esta fotosíntesis de primates fue el primero en desarrollar la capacidad.

Pero la nueva investigación revela que una bacteria más antigua, que probablemente ya no existe en la actualidad, fue en realidad la primera en desarrollar la forma más simple de fotosíntesis, y que esta bacteria fue un ancestro de la mayoría de las bacterias vivas en la actualidad.

"La imagen que está empezando a surgir es que durante la primera mitad de la historia de la Tierra, la mayoría de las formas de vida probablemente fueron capaces de realizar la fotosíntesis", dijo el autor del estudio, el Dr. Tanai Cardona, del Departamento de Ciencias de la Vida del Imperial College de Londres.

La forma más primitiva de fotosíntesis se conoce como fotosíntesis anoxigénica, que utiliza moléculas como hidrógeno, sulfuro de hidrógeno o hierro como combustible, en lugar de agua.

Tradicionalmente, los científicos habían asumido que uno de los grupos de bacterias que todavía utilizan la fotosíntesis anoxigénica desarrolló la capacidad y luego la transmitió a otras bacterias mediante la transferencia horizontal de genes: el proceso de donación de un conjunto completo de genes, en este caso los necesarios para fotosíntesis, a organismos no relacionados.

Sin embargo, el Dr. Cardona creó un árbol evolutivo para la bacteria analizando la historia de una proteína esencial para la fotosíntesis anoxigénica. A través de esto, pudo descubrir un origen mucho más antiguo para la fotosíntesis.

En lugar de que un grupo de bacterias desarrolle la capacidad y la transfiera a otros, el análisis del Dr. Cardona revela que la fotosíntesis anoxigénica evolucionó antes de que la mayoría de los grupos de bacterias vivas en la actualidad se ramificaran y diversificaran. Los resultados se publican en la revista PLOS ONE.

"Casi todos los grupos de bacterias fotosintéticas que conocemos se han sugerido, en algún momento u otro, como los primeros innovadores de la fotosíntesis", dijo el Dr. Cardona. "Pero esto significa que todos estos grupos de bacterias tendrían que haberse ramificado entre sí antes de que evolucionara la fotosíntesis anoxigénica, hace unos 3.500 millones de años.

"En cambio, mi análisis ha demostrado que la fotosíntesis anoxigénica es anterior a la diversificación de las bacterias en grupos modernos, por lo que todas deberían haber podido hacerlo. De hecho, la evolución de la fotosíntesis oxigénica probablemente llevó a la extinción de muchos grupos de bacterias capaces de fotosíntesis anoxigénica, desencadenando la diversificación de los grupos modernos ".

To find the origin of anoxygenic photosynthesis, Dr Cardona traced the evolution of BchF, a protein that is key in the biosynthesis of bacteriochlorophyll a, the main pigment employed in anoxygenic photosynthesis. The special characteristic of this protein is that it is exclusively found in anoxygenic photosynthetic bacteria and without it bacteriochlorophyll a cannot be made.

By comparing sequences of proteins and reconstructing an evolutionary tree for BchF, he discovered that it originated before most described groups of bacteria alive today.


Fotosíntesis

Plants, algae and cyanobacteria use a chemical reaction known as photosynthesis to create the materials they need from what’s around them. Plucking carbon dioxide from the air, water from the ground and light from the sun, land plants make sugar and kick out oxygen as a waste product. Which is lucky for us. Without this oxygen supply to counterbalance the carbon dioxide we breathe out, most life on this planet, including us, would suffocate.

In plants, photosynthesis takes place in structures within their cells called chloroplasts. Chloroplasts, like the mitochondria in our own cells that drive our metabolism, are thought to have originated from bacterial cells that came to live in symbiosis inside their host.

Plants can harvest light because their chloroplasts are stuffed full of a pigment called chlorophyll, which absorbs red and blue light. When the sun’s rays hit plants, they absorb these colours but not green, which gets reflected, giving most plants their distinctive hue.

Plants use the sugars they make to fuel their growth and combine them into more complex molecules like cellulose to make material. This process of taking carbon from the air and using it to make large polymers makes plants an extremely useful ally in combating climate change, which is predominantly caused by carbon dioxide emissions. Ironically, photosynthesis is also behind many of the world’s fossil fuels, which formed from decayed prehistoric plants and animals.

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Some organisms depend on pigments other than chlorophyll to photosynthesise, such as carotenoids, which are red, orange or yellow and absorb blue-green light.

While plants, algae and cyanobacteria all use oxygen-based photosynthesis, there is also a version of the reaction called anoxygenic photosynthesis. This typically occurs in bacteria, such as purple bacteria and green sulphur bacteria, in aquatic habitats. These organisms photosynthesise use chemicals like hydrogen sulphide instead of water and produce sulphur as a by-product rather than oxygen.

Some animals also seem to be able to photosynthesise. The emerald green sea slug, for example, consumes algae and uses its chloroplasts. And it is thought that some green aphids can also harness light using their pigments. Chris Simms


Light-Independent Reactions

After the energy from the sun is converted into chemical energy and temporarily stored in ATP and NADPH molecules, the cell has the fuel needed to build carbohydrate molecules for long-term energy storage. The products of the light-dependent reactions, ATP and NADPH, have lifespans in the range of millionths of seconds, whereas the products of the light-independent reactions (carbohydrates and other forms of reduced carbon) can survive for hundreds of millions of years. Las moléculas de carbohidratos fabricadas tendrán una columna vertebral de átomos de carbono. ¿De dónde viene el carbono? It comes from carbon dioxide, the gas that is a waste product of respiration in microbes, fungi, plants, and animals.

En las plantas, el dióxido de carbono (CO2) ingresa a las hojas a través de los estomas, donde se difunde en distancias cortas a través de espacios intercelulares hasta llegar a las células del mesófilo. Una vez en las células del mesófilo, CO2 diffuses into the stroma of the chloroplast—the site of light-independent reactions of photosynthesis. En realidad, estas reacciones tienen varios nombres asociados. Another term, the ciclo de Calvin, is named for the man who discovered it, and because these reactions function as a cycle. Others call it the Calvin-Benson cycle to include the name of another scientist involved in its discovery. The most outdated name is dark reactions, because light is not directly required (Figure 15). However, the term dark reaction can be misleading because it implies incorrectly that the reaction only occurs at night or is independent of light, which is why most scientists and instructors no longer use it.

Figure 15. Light reactions harness energy from the sun to produce chemical bonds, ATP, and NADPH. These energy-carrying molecules are made in the stroma where carbon fixation takes place.

Las reacciones independientes de la luz del ciclo de Calvin se pueden organizar en tres etapas básicas: fijación, reducción y regeneración.

Etapa 1: Fijación

En el estroma, además de CO2, two other components are present to initiate the light-independent reactions: an enzyme called ribulose bisphosphate carboxylase (RuBisCO), and three molecules of ribulose bisphosphate (RuBP), as shown in Figure 16. RuBP has five atoms of carbon, flanked by two phosphates.

Pregunta de práctica

Figure 16. The Calvin cycle has three stages.

In stage 1, the enzyme RuBisCO incorporates carbon dioxide into an organic molecule, 3-PGA. In stage 2, the organic molecule is reduced using electrons supplied by NADPH. In stage 3, RuBP, the molecule that starts the cycle, is regenerated so that the cycle can continue. Only one carbon dioxide molecule is incorporated at a time, so the cycle must be completed three times to produce a single three-carbon GA3P molecule, and six times to produce a six-carbon glucose molecule.

¿Cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera?

  1. In photosynthesis, oxygen, carbon dioxide, ATP, and NADPH are reactants. GA3P and water are products.
  2. In photosynthesis, chlorophyll, water, and carbon dioxide are reactants. GA3P and oxygen are products.
  3. In photosynthesis, water, carbon dioxide, ATP, and NADPH are reactants. RuBP and oxygen are products.
  4. In photosynthesis, water and carbon dioxide are reactants. GA3P and oxygen are products.

RuBisCO cataliza una reacción entre CO2 y RuBP. Para cada CO2 molecule that reacts with one RuBP, two molecules of another compound (3-PGA) form. PGA has three carbons and one phosphate. Cada turno del ciclo involucra solo un RuBP y un dióxido de carbono y forma dos moléculas de 3-PGA. El número de átomos de carbono sigue siendo el mismo, ya que los átomos se mueven para formar nuevos enlaces durante las reacciones (3 átomos de 3CO2 + 15 átomos de 3RuBP = 18 átomos en 3 átomos de 3-PGA). Este proceso se llama fijacion de carbon, because CO2 is “fixed” from an inorganic form into organic molecules.

Etapa 2: Reducción

El ATP y el NADPH se utilizan para convertir las seis moléculas de 3-PGA en seis moléculas de una sustancia química llamada gliceraldehído 3-fosfato (G3P). That is a reduction reaction because it involves the gain of electrons by 3-PGA. Recall that a reducción is the gain of an electron by an atom or molecule. Se utilizan seis moléculas de ATP y NADPH. For ATP, energy is released with the loss of the terminal phosphate atom, converting it into ADP for NADPH, both energy and a hydrogen atom are lost, converting it into NADP + . Ambas moléculas regresan a las reacciones cercanas dependientes de la luz para ser reutilizadas y revitalizadas.

Etapa 3: Regeneración

Interestingly, at this point, only one of the G3P molecules leaves the Calvin cycle and is sent to the cytoplasm to contribute to the formation of other compounds needed by the plant. Because the G3P exported from the chloroplast has three carbon atoms, it takes three “turns” of the Calvin cycle to fix enough net carbon to export one G3P. Pero cada turno genera dos G3P, por lo que tres turnos suman seis G3P. Una se exporta mientras que las cinco moléculas restantes de G3P permanecen en el ciclo y se utilizan para regenerar RuBP, lo que permite que el sistema se prepare para más CO2 ser arreglado. Se utilizan tres moléculas más de ATP en estas reacciones de regeneración.

Evolution of Photosynthesis

Figure 17. The harsh conditions of the desert have led plants like these cacti to evolve variations of the light-independent reactions of photosynthesis. These variations increase the efficiency of water usage, helping to conserve water and energy. (crédito: Piotr Wojtkowski)

During the evolution of photosynthesis, a major shift occurred from the bacterial type of photosynthesis that involves only one photosystem and is typically anoxygenic (does not generate oxygen) into modern oxygenic (does generate oxygen) photosynthesis, employing two photosystems. This modern oxygenic photosynthesis is used by many organisms—from giant tropical leaves in the rainforest to tiny cyanobacterial cells—and the process and components of this photosynthesis remain largely the same. Photosystems absorb light and use electron transport chains to convert energy into the chemical energy of ATP and NADH. The subsequent light-independent reactions then assemble carbohydrate molecules with this energy.

Photosynthesis in desert plants has evolved adaptations that conserve water. In the harsh dry heat, every drop of water must be used to survive. Because stomata must open to allow for the uptake of CO2, water escapes from the leaf during active photosynthesis. Desert plants have evolved processes to conserve water and deal with harsh conditions. A more efficient use of CO2 allows plants to adapt to living with less water. Some plants such as cacti (Figure 17) can prepare materials for photosynthesis during the night by a temporary carbon fixation/storage process, because opening the stomata at this time conserves water due to cooler temperatures. In addition, cacti have evolved the ability to carry out low levels of photosynthesis without opening stomata at all, a mechanism to face extremely dry periods.

Now that we’ve learned about the different pieces of photosynthesis, let’s put it all together. This video walks you through the process of photosynthesis as a whole:

En resumen: una descripción general de la fotosíntesis

El proceso de fotosíntesis transformó la vida en la Tierra. Al aprovechar la energía del sol, la fotosíntesis evolucionó para permitir que los seres vivos accedan a enormes cantidades de energía. Gracias a la fotosíntesis, los seres vivos obtuvieron acceso a suficiente energía que les permitió construir nuevas estructuras y lograr la biodiversidad que hoy es evidente.

Solo ciertos organismos, llamados fotoautótrofos, pueden realizar la fotosíntesis; requieren la presencia de clorofila, un pigmento especializado que absorbe ciertas porciones del espectro visible y puede capturar energía de la luz solar. La fotosíntesis usa dióxido de carbono y agua para ensamblar moléculas de carbohidratos y liberar oxígeno como producto de desecho a la atmósfera. Los autótrofos eucariotas, como las plantas y las algas, tienen orgánulos llamados cloroplastos en los que tiene lugar la fotosíntesis y se acumula el almidón. En procariotas, como las cianobacterias, el proceso está menos localizado y ocurre dentro de las membranas plegadas, extensiones de la membrana plasmática y en el citoplasma.

The pigments of the first part of photosynthesis, the light-dependent reactions, absorb energy from sunlight. A photon strikes the antenna pigments of photosystem II to initiate photosynthesis. The energy travels to the reaction center that contains chlorophyll a to the electron transport chain, which pumps hydrogen ions into the thylakoid interior. This action builds up a high concentration of ions. The ions flow through ATP synthase via chemiosmosis to form molecules of ATP, which are used for the formation of sugar molecules in the second stage of photosynthesis. Photosystem I absorbs a second photon, which results in the formation of an NADPH molecule, another energy and reducing power carrier for the light-independent reactions.


Ver el vídeo: La Fotosíntesis (Agosto 2022).