3.1.3.1: Cianobacterias

Objetivos de aprendizaje

• Explicar el papel de las cianobacterias en el cambio de la atmósfera de la Tierra
• Describir algunas relaciones mutualistas formadas con cianobacterias
• Distinguir entre diferentes tipos de células cianobacterianas y describir sus funciones

Estromatolitos

Los primeros fósiles se interpretan como organismos unicelulares similares a las cianobacterias modernas., a veces conocido como algas verde-azuladas. El más ampliamente aceptado de estos fósiles se remonta a hace 3.4 mil millones de años de la Formación Strelley Pool en Australia Occidental. Estos fósiles particulares se llaman estromatolitos y están compuestos por capas alternas de células fosilizadas y carbonato de calcio (Figura\(\PageIndex{1}\)). Podemos usar evidencia de la formación moderna de estromatolitos en Australia Occidental para inferir que estas células fosilizadas estaban haciendo un proceso llamado fotosíntesis, usando CO ₂ disuelto en el agua para formar moléculas de azúcar. Esto hace que el calcio precipite fuera del agua de mar, formando capas endurecidas de carbonato de calcio en la parte superior de la colonia de organismos. Debido a que necesitan acceso a la luz para continuar fotosintetizándose, las células vivas comienzan a formar una nueva capa sobre el carbonato de calcio. Este proceso continúa, haciendo un patrón anillado a medida que crece la formación, al igual que vemos en árboles y corales.

Figura\(\PageIndex{1}\): Las imágenes de arriba muestran estromatolitos. La primera imagen muestra los estromatolitos actuales formados en la costa de Australia Occidental. La segunda imagen muestra un estromatolito fósil con los anillos de crecimiento formados por capas sucesivas de cianobacterias. Primera foto por AndyGo, CC-BY-NC. Segunda imagen: Fósil de estromatolita de Wyoming de James St. John vía Wikimedia Commons. CC-BY 2.0.

Las cianobacterias realizan fotosíntesis oxigénica. Los antepasados de las cianobacterias modernas son los responsables de la producción inicial de nuestra atmósfera rica en oxígeno. Además de estos insumos iniciales, las cianobacterias son el origen de los cloroplastos en todos los fototrofos eucariotas, incluyendo las plantas. En un evento llamado endosimbiosis primaria, una cianobacteria fue envuelta por un eucariota heterotrófico. En lugar de ser digerido, el procariote vivía dentro de la célula más grande. Con el tiempo, los genes se intercambiaron entre el procariota y el eucariota, resultando finalmente en los primeros cloroplastos.

Cianobacterias modernas

Las cianobacterias se pueden encontrar de vida libre, a menudo en colonias, o que viven en relaciones simbióticas con otros organismos, como hongos y plantas.

Vida libre

Las cianobacterias se pueden encontrar en una vasta diversidad de lugares, desde flotar en el océano hasta vivir en costras criptobióticas en el desierto. Nostoc es un tipo de cianobacterias que a menudo se pueden encontrar viviendo en colonias gelatinosas en ambientes húmedos y terrestres. La colonia secreta una vaina mucilaginosa que proporciona una barrera protectora y permite el intercambio de materiales entre las células de la colonia.

Figura\(\PageIndex{2}\) : Cada uno de estos orbes vítreos contiene una colonia de pruniforme nostoc rodeada por una vaina mucilaginosa. Las bacterias no son visibles a simple vista, por lo que aparecen como un solo organismo. Foto de René Stalder, CC-BY-NC.

Figura\(\PageIndex{3}\): Vista de una colonia Nostoc a través de un microscopio. La colonia consiste en cadenas de individuos, envueltos juntos en una bola. Esta bola está recubierta por una vaina mucilaginosa transparente (visible en la primera foto, izquierda). El color verde de la bola se debe a los pigmentos fotosintéticos en las cianobacterias. En la foto de la derecha se muestra una colonia con mayor aumento. Se pueden distinguir individuos, incluyendo algunas células amarillas más grandes. Estos últimos individuos se han convertido en heterocistas. Primera foto (izquierda) de Ivan, CC-BY. Segunda foto (derecha) de Mindy Morales, CC-BY-NC.

Figura\(\PageIndex{4}\): Vistas múltiples de una colonia gelatinosa formada por Rivularia polioxitis. A menor aumento, las colonias no se distinguen fácilmente, rodeadas por una gruesa capa gelatinosa. A medida que las imágenes alcanzan mayor aumento, se pueden distinguir cadenas individuales, compuestas por células planas, en forma de disco. La gruesa vaina mucilaginosa es visible en las dos imágenes en la esquina superior izquierda, así como la imagen central a la izquierda. Se pueden distinguir cadenas de individuos, luciendo como proyecciones peludas. Fotos de Luigi, CC-BY-NC.

Mutualistas

Muchas cianobacterias que verás en la botánica estarán en relaciones mutualistas. Anabaena es una cianobacteria colonial que vive dentro del helecho acuático Azolla, fijando nitrógeno en el ambiente acuático relativamente pobre en nutrientes del helecho. Nostoc es otra cianobacteria colonial capaz de fijar nitrógeno. Se puede encontrar de vida libre en colonias gelatinosas que se muestran arriba o, como es probable que la veas en tu curso de botánica, en compartimentos de un talo de hornwort. Las cianobacterias también se pueden encontrar en una relación mutualista con hongos en cianolíquenes.

Figura\(\PageIndex{5}\): Los líquenes de color oscuro, como este Peltigera (izquierda) y Nefroma (derecha), suelen tener un compañero cianobacteriano. Fotos de Maria Morrow, CC-BY-NC.

Anabaena

Si tuvieras que cortar una muestra de Azolla y mirarla bajo el microscopio, verías lo que parecían cuerdas de cuentas verdes. Cada perla es una cianobacteria individual del género Anabaena. No obstante, a pesar de que cada una es un individuo, algunas células se especializarán para brindar un servicio a la colonia, en su conjunto.

• Los heterocistos son células de paredes gruesas, libres de clorofila que fijan el nitrógeno atmosférico en formas biodisponibles usando la enzima nitrogenasa. Los heterocistas no pueden hacer fotosíntesis, ya que ese proceso produce oxígeno y la nitrogenasa no puede funcionar en presencia de oxígeno.
• Los akinetes son individuos que aún realizan fotosíntesis, pero también funcionan como una especie de seguridad contra fallas. Los akinetes almacenan grandes cantidades de lípidos e hidratos de carbono para que tengan la energía suficiente para comenzar una nueva colonia si las condiciones se vuelven demasiado frías o demasiado secas para sobrevivir. Su formación se desencadena por estas condiciones (secas o frías), por lo que es posible que no las veas desde una hoja de helecho de agua dulce, ya que se trata de un ambiente relativamente estable y cómodo.

Figura\(\PageIndex{6}\): En la imagen de la izquierda, muchas plantas de Azolla se pueden ver flotando en un platillo de aguas poco profundas. Cada helecho tiene aproximadamente el tamaño de una moneda de diez centavos (aproximadamente 1 cm de ancho). En la imagen de la derecha, se encadenan células individuales de Anabaena en colonias. Estas células alguna vez estuvieron dentro de las hojas del helecho acuático. Crédito de la foto: Melissa Ha, CC BY-NC.

Figura\(\PageIndex{7}\): Tres tipos diferentes de células son visibles en esta colonia Anabaena. Hay un akinete grande, de paredes gruesas en la parte inferior izquierda. En la parte superior derecha, hay un heterocista más pequeño y redondo que tiene aproximadamente el tamaño de dos células vegetativas. El resto de las células distinguibles en la imagen son células vegetativas “normales”. Crédito de la foto: Melissa Ha, CC BY-NC.

Figura\(\PageIndex{8}\): Los heterocistas suelen aparecer de color amarillo y son más redondos que las células vegetativas. Sin embargo, los principiantes suelen confundir los más grandes con los akinetes (particularmente cuando no hay akinetes presentes. Algo que hace que los heterocistas sean más fáciles de distinguir de los akinetes es la presencia de cuerpos polares. Los heterocistos tienen dos regiones distintas en cada lado llamadas cuerpos polares. Los akinetes no tienen estos y parecen más granulares. Foto de Maria Morrow, CC-BY-NC.

Resumen

Las cianobacterias son un grupo de bacterias que realizan fotosíntesis oxígena. Los antepasados de las cianobacterias modernas fueron los responsables de la entrada inicial de grandes cantidades de oxígeno a la atmósfera terrestre. La evidencia de estas cianobacterias tempranas se puede encontrar en estructuras fosilizadas llamadas estromatolitos, que aún se forman en algunas regiones del mundo. Las cianobacterias se pueden encontrar de vida libre o como mutualistas dentro de los tejidos de otros organismos. Las colonias de individuos a menudo están envueltas dentro de un mucílago protector. Dentro de una colonia, las células individuales podrían especializarse para fijar nitrógeno (heterocistas) o para sobrevivir a condiciones frías y/o secas (akinetes).

Atribución

Contenido de Maria Morrow, CC BY-NC