Ciencia: ¿cómo elegir entre las posibles historias que encajan con una determinada sucesión de datos, que además no aparecieron en orden cronológico?

 Pues la investigación científica es más azarosa que un capítulo Juego de Tronos.

¿Cómo elegir una historia ordenada a partir de un caos de datos?

Wiseman tomó esta preciosa foto desde la estación espacialinternacional en 2014, web: https://www.nasa.gov/content/an-astronauts-view-from-space

 

Cuando se trata de reconstruir ambientes y climas de eras pasadas, la ciencia necesita de los esfuerzos coordinados de expertos en geología y geoquímica, física y clima, biología evolutiva e incluso ecología. Esto que ya es muy difícl de por si, se complica extraordinariamente cuando lo que se investiga es el ambiente en un depósito de muestras datadas en la época del Gran Evento de Oxigenación que tuvo lugar entre 2.450 y 1850 millones de años atrás. En este periodo el nivel de oxígeno O₂ atmosférico se multiplicó en un 100.000% (considerando el nivel de oxígeno actual como unidad de medida, -PAL por sus siglas en inglés- el incremento fue desde un testimonial 10⁻⁵ PAL antes de la oxigenación hasta un 10⁻² después. Temenos que tener muy en cuenta que ambas cifras representan estimaciones). Pero esta oxigenación no se extendió a las zonas profundas de los oceános, en realidad a la mayor parte del oceáno, ni tampoco fue homogénea ni total en toda la atmósfera de la tierra, muchas zonas permanecieron fundamentalmente anóxicas. Los oceanos se oxigenaron después, mucho después, prácticamente mil millones de años más tarde, de hecho extraoficialmente se llama a este periodo el "billón aburrido" (los anglohablantes consideran que mil millones es un billón), pero a pesar de que les resulte aburrido frente a lo que vino después, la explosión de vida multicelular de Ediacara y el Cámbrico, este "billón" es un auténtico reto para la ciencia, por lo difícil que es desarrollar modelos sobre lo que sucedió.

El geoquímico y profesor de la universidad de Wasington, David Fike, fue inusualmente explícito acerca de las dificultades que tienen los científicos para dar con la verdad, o lo más coherente con las muestras analizadas, en el número de julio de 2010 de Nature Geoscience. Fike se centró en el cambio de anóxicos a oxigenados de los oceanos que precedió la aparición de la biota multicelular de Ediacara, entre  635y 542 millones de años, explicando que la comunidad científica no sabía bien cómo había variado espacialmente la distribución de ambientes oxigenados y anóxicos en las zonas emergidas y que la escasez de muestras multiplicaba la complejidad de la tarea.

Fike dejó claro que las muestras podían sostener interpretaciones muy distintas, "lo que es más, diferentes afirmaciones se pueden derivar de la interpretación de distintos indicios geoquímicos, desde la separación física de dos enclaves oceánicos hasta el movimiento de los sedimentos hasta su depósito".

El misterio de los acritarcos desaparecidos puede tener dos lecturas diferentes

Para ilustrar su afirmación de que las muestras pueden originar interpretaciones distintas e igualmente consistentes sobre el papel, Fike cuenta la curiosa historia de los acritarcos desaparecidos.

Se refiere a un grupo de microfósiles de acritarcos espinosos que se encontraron en una de los depósitos de fósiles más antiguos de la tierra, en Doushantuo, China, datado entre 635 millones de años en la base y 510 (millones de años, sí) en la parte superior.

Este fósil de Douhantuo posiblemente sea un embrión de acritarco, fuente https://en.wikipedia.org/wiki/Doushantuo_Formation

Nadie sabía con seguridad lo que eran los acritarcos, sólo que eran algo vivo y que le habían puesto nombre (que significa "incierto orígen" lo que ilustra lo poco se sabe de ellos), algunos pensaban que eran algas verdes mientras que otros se inclinaban por dinoflagelados que habían desarrollado unas bonitas espinas para evitar la predación por otros animales.

Eisenackidium orientalis, un acritarco del Ordovícico Inferior de Argentina. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Acritarco

Pero si eran algas su aparición cuadraba perfectamente con los indicios de subida de oxígeno, así que eso fue lo que se supuso. Sin embargo, al comprobar la secuencia estratigráfica, se dieron cuenta de que después del incremento de acritarcos en los depósitos, y cuando hay evidencias claras de que las rocas estaban expuestas a oxígeno, los acritarcos desaparecen, lo cual es absurdo si estos acritarcos estaban evolucionando porque el oxígeno se estaba incrementando. Resultó que eran animales encapsulados para evitar una muerte por anoxia. El relato de Fike prosigue: "En 2009 un grupo de científicos liderados por Phoebe Cohen de la Universidad de Harvard inspeccionó los acritarcos con microscopios de electrones y concluyó que no eran algas sino animales encapsulados en un quiste protector que muchos animales forman cuando las condiciones no son favorables para su vida". 

En esta misma época Fike formó parte de un grupo de investigadores que tomaron muestras de eventos redox y concluyeron que las aguas que formaron el depósito de Doushantou eran ricas en hierro y azufre, ypor tanto tóxicas para los organismos dependientes del oxígeno.La historia que surgía ahora tenía más sentido, los acritarcos que eran estructuras defensivas desaparecian cuando las rocas indicaban claramente la presencia de oxígeno porque los animales no necesitaban enquistarse por la anoxia.

Según los estudios microscópicos, los acritarcos eran animales que se encapsularon para escapar de la muerte por anoxia. Fuente: https://phys.org/news/2010-08-geologists-revisit-great-oxygenation-event.html

Según el modelo de Canfield, en 1998, el azufre es importante para comprender el proceso de oxigenación de las aguas. Canfield ha dado una explicación muy sólida para un proceso en dos tiempos de oxigenación del planeta. En un primer momento el incremento del oxígeno atmosférico causó la oxidación de rocas que liberaron sulfatos en el oceano a través de cursos temporales y ríos. En el oceano las bacterias reductoras de sulfatos los transformaron en sulfídrico -el compuesto que da olor a los huevos podridos- que se combinaron con el hierro disuelto para formar compuestos sólidos como la pirita que caían al fondo del oceano; pero el proceso era lento y había un montón de partículas libres de sulfídrico que no precipitaban.

Durante el segundo estado, mucho más largo, (el billón aburrido, recordemos) se generó  sufienciente oxígeno para barrer el tóxico sulfídrico de los fondos oceánicos.

Gráfico que muestra diferentes capas en el oceáno, con distindos niveles de oxígeno,sulfídrico y hierro (en cada capa se muestra el dominante), según el modelo de Canfield. Fuente de la imágen: https://phys.org/news/2010-08-geologists-revisit-great-oxygenation-event.html

Se podría concluir que el  yacimiento de Duohantuo estaba contando la misma historia...pero, Fike explica que la variación espacial en las muestras redox es capaz de trastornar al geólogo más cuerdo porque podría indicar un contexto de reciclaje de sedimentos del yacimiento en lugar de un cambio significativo en la bioquímica.

Para explicarlo describe las bandas de cieno del Amazonas: "Los vertidos del Amazonas en el Atlántico contienen mucha materia orgánica". "Se deposita el cieno y el oxígeno contenido en el vertido se consume por actividad biológica, pero después de que una tormenta lo revuelva se reoxigena", y el proceso se repite varias veces. Cuando los depósitos se vuelven sedimentos su bioquímica es totalmente distinta a cuando se depositaron.

Los indicadores redox de estos sedimentos sugieren que se depositaron en condiciones anóxicas y pobres en sulfato, pero lo cierto es que se depositaron en aguas marinas ricas en hierro y sulfato, justo lo contrario.

¿Así que qué ocurrió realmente en Duohantuo y en Nahua?. ¿Cuál de las dos posibilidades es la cierta?, ¿vertidos costeros o reciclaje de cienos?, tened en cuenta que estamos hablando de 600 millones de años de antigüedad. ¿Con cual nos quedamos?.

Es difícil, tal vez un modelo tridimensional de la tierra podría ayudar pero...se necesitan más muestras.

En el mismo artículo Fike señala que para dar una idea de lo que sucedió en ese "billón aburrido" lo mejor sería disponer de un modelo tridimensional de la tierra que tuviera suficiente resolución espacial para obtener datos fiables. Pero falta aún mucho trabajo antes de que se tenga un ese modelo tridimensional de los procesos redox en el oceano y cómo variaron en el tiempo.

https://phys.org/news/2010-08-geologists-revisit-great-oxygenation-event.html

http://io9.gizmodo.com/5619238/the-search-is-on-for-earths-missing-two-billion-years

https://www.nature.com/articles/ngeo903.epdf?referrer_access_token=aww0nD3SnZuasSzXzb9JEdRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0O-JMTBQH_E9nZozt9I9zepuPbtuRRevHGPRM78K0oBz-pbcqWkzO1akSLkCZSQMgHjSkiWOeoarG-EiKcOiucHWQei7zVzt7tAn-xnoL0wAuIVIMhsDd-h3wHEbLeaUE0SE-3_4SX3_F6TIqPr-fSFM1WrIiV0CMbdPuKijhTArmR85o7pbsV1tAXpv5oMXXkjEucUNdEXze6Iqe5cbeI9&tracking_referrer=io9.gizmodo.com

Las células con la mayor cantidad de núcleos, o eso creo

¿Qué células tienen más núcleos?

Hay dos formas de conseguir una célula multinucleada:

• Por la fusión de múltiples células, que forman un sincitio[1] tal como ocurre en algunos hongos, las células del músculo esquelético cardiaco y osteoclastos (también en humanos)
• Mediante una sola célula que atraviesa varias divisiones sin citoquinésis (separación en células hijas), en el caso de los cenocitos[2] tales como algunos hongos como el plasmodio, o las células del tejido nutritivo de varios frutos (endospermos).

En el cuerpo humano sano, sin sufrir cáncer, yo apuesto por los osteoclastos[3]:

Foto de wikipedia, Osteoclasto

El osteoclasto es una célula multinucleada, móvil y gigante que degrada, reabsorbe y remodela huesos. Un osteoclasto típico contiene 5 núcleos. Sin embargo, cuando se usan citoquinas osteoclastos inductores para convertir los macrófagos

a osteoclastos, pueden aparecer algunos extraordinariamente grandes con docenas de núcleos.[4]

Además de esto, existen también varios tipos de células en las que el número de cromosomas está duplicado, triplicado o hasta multiplicado por 6 como es en el caso de los megacariocitos

del tejido hematopoyético de la médula ósea. Lo que ocurre es que estos cromosomas están generalmente en un único núcleo, no se han separado como en los osteoclastos.

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Si nos dejamos de mirar al ombligo, quiero decir que buscando entre organismos no humanos podemos encontrar algunos que están constituídos exclusivamente por células polinucleadas. Entre ellos, el más interesante -aunque no sé si el que tiene las células de mayor númeor de núcleos- es a mi juicio este:

La Valonia ventricosa

, también conocida como "alga burbuja" es un cenocito (multinucleado a partir de una célula que experimenta varias divisiones celulares pero no llega a pasar por citoquinésis); una especie de alga que se encuentra en los océanos de todo el mundo en las regiones tropicales y subtropicales. También es uno de los organismos unicelulares más grandes del mundo. ¡las muestras grandes pueden oscilar entre 4 y 9 cm de diámetro!

Puedes leer más sobre ellos aquí. También hemos incrustado un video interesante de TED en los grandes organismos unicelulares a continuación.

Notas al pie

[1] Sincitio - Wikipedia, la enciclopedia libre

[2] Cenocito - Wikipedia, la enciclopedia libre[3] Osteoclasto - Wikipedia, la enciclopedia libre[4] Osteoclast - Wikipedia

Wheels are for cars, but not so much for animals. Si eres un animal... las ruedas no son una gran idea

 

Because it is not a good idea for animals moving on wheels. That’s a consequence of how multicelullar organisms are built in, and how do motion wheels operate.

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Yes, yes, we have a few animals that exhibit incomplete cogs as an ornament, such as the intimidating wheel[1] bug (Arilus cristatus):

And more impresionant than this, we have at least one genus of animals, the Issus -a common kind of planthoppers- that uses functional (incomplete) gears to power the jump of its legs; this mechamism was described in the juvenile of Issus coleaptratus, adults lack these cogs in their hind legs. I fell messmerised by this gif the first time I saw this images:

Here are the cogs[2], each one sitted on one hind leg.

In the image bellow[3] we can see how they are positioned in the legs, and understand how they work; when the young Issus prepares to jump the two sets of teeths lock together, transferring mechanical power and synchronization to its legs. If you want a more detailed explanation, I recommend to watch this video

.

By the way, here is the geared planthopper itself

:

Wow, amazing, yes, however those are not locomotion wheels. Right.

I told that having wheels for locomotion is not a great idea for multicellular organisms. Let’s roll!, there are a lot of good reasons:

• First off, a locomotion wheel needs to rotate freely, 360º. And to do it, it has not to be physically attached to any biological structure that avoids this movement. But… living organisms need to give nutrients and physicall support to all the living cells in their bodies, otherwise these structure would die and rotten.

Think about your joints, they got that name for a good reason, you have muscles, tendons, veins and arteries connected to them, it would be impossible for your bone rotate 360º freely once and again.

• Wheels don’t propel themselves, they need to be moved. And once again, an animal would need to have muscles attached to those wheels, with the paradox that they need muscles to rotate, but can’t rotate because they have muscles.

This is because, contrary to man made machinary, biological organisms haven’t found the way of functioning with electromagnet motors or hydraullic piston and have to rely on the old Biological reactions that give cells their energy.

It could be argued that some animals could develope rounded free structures, and we have an example of an apparently freely rotating “rod”, despite it is used for digestion, not for propulsion: the cristaline style made of glycoproteins of some gastropods and bivalves, Wikipedia has a good diagram:[4]

So we could think… hey, why not developing a keratin or glycoprotein propulsion wheel… we have hair and nails (don’t we?) and they are conveniently “not alive”, so why not a keratin wheel… and here is another disadvantage of wheels…

• Wheels need a lot of maintinance because the friction against the soil wear them out, constantly. And remember, our guess was an animal growing a functional free wheel, so this animal couldn’t regrow/repair the wheel on the go, it would need to get rid of it and grow a new one. If moulting supposes a waste of energy and danger for birds, can you guess how dangerous would be to replace wheels and being unable to move while on?

And there are many more reasons (wheels need roads, need brakes, it is difficult to control the speed, the direction, etc)… that’s why when organisms turn themselves into living wheels it is when they are scaping from something or just they are totally disposable and spreading their seeds[5] (talking about plants).

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All in all, the reason is in multicellularity, it doesn’t combine well with propulsion on wheels. It is physiologically impossible to maintain a wheel-shaped limb, which means that the rotating parts are not directly connected to another body part in order to be able to rotate. They cannot be connected neither with veins nor with supporting tissues. And making disposable wheels would be an extraordinary waste of energy for the animal (or the plant).

Interestingly enough at a mollecular level… we have the flagelums of bacterias, but there are some other very interesting examples, such as a protein Ferris wheel structure that cell organelles use to regulate the pH of their environment, a yeast proton pump called vacuolar ATPase (V-ATPase). And it looks spectacular[6]:

And also scientists have been busy synthesizing wheels (cartwheels, connected by their axle) at the molecular level:[7]

Footnotes

[1] Wheel bug - Wikipedia

[2] Image on 9gag.com[3] Image on newatlas.com[4] Rotating locomotion in living systems - Wikipedia[5] Image on ytimg.com[6] Uncovering details of molecular Ferris wheels inside cell structures[7] https://www.researchgate.net/figure/Main-molecular-dimensions-L-and-D-used-to-characterize-the-molecule-a-and-b_fig1_272456319

Sexo y envejecimiento (juntos y separados)

 Is aging and dying from old age linked to sexual reproduction?

I couldn’t remember who had written about this matter when posting the quesion. William R. clarck has a book that seems to be interesting where he explains that bacterias don’t have events of programmed death, whileas mulcticelullar organisms do have it. This is due to the fact that (in his argument) that our eukaryotic cells have a limited number of divisions ahead, and maintaining a body with specialized cells requires that these cells be functional and sane or in other case die and leave room for another cell.

Sexual organisms have different lines of cells for somatic and reproductive matters, hence :

When sexual reproduction evolved, it became the dominant form of reproduction on the planet, in part because mixing DNA from two individuals corrects errors that have crept into the code. But this improved DNA made DNA in the other (somatic) cells not only superfluous, but dangerous, because somatic DNA might harbor mutations. Nature's solution to this danger, Clark concludes, was programmed death--the somatic cells must die. Unfortunately, we are the somatic cells. Death is necessary to exploit to the fullest the advantages of sexual reproduction.

(Excerpted from the abstract in amazon, Sex and the Origins of Death

).

To me it is an interesting argument that have some sensible points but is mistaken in its main proposition, ageing did not come after sexual reproduction, there are studies that show that at least some bacterias do age, they don’t have a programmed dead in their code but it is a fact that they age:

The fundamental cause of aging in bacteria is thought to be the accumulation of deleterious components (aging factors). Asymmetrically dividing bacteria, such as Caulobacter crescentus

, show signs of replicative aging.

The results for symmetrically dividing bacteria are more nuanced. For example, Escherichia coli, under certain experimental conditions, may exhibit signs of replicative aging caused by subtle asymmetries in its division.

Bacterial senescence

But there seems to be a relationship between the potential longevity of a species and the onset of reproductive age. Studies with Drosophila

However the connection between them two is not direct but selected by the type of enviroment in which the species lives, as some studies with Drosophila melanogaster have pointed. For example in this interesting one Experimental evolution of aging, growth, and reproduction in fruitflies

(PNAS March 28, 2000. 97 (7) 3309-3313; https://doi.org/10.1073/pnas.97.7.3309

), designed to test predictions of life-history theory and the evolutionary theory of ageing , they found that, as theory of history of life and ageing predict, higher extrinsic mortality rates -i.e hostile enviroments- did lead to the evolution of higher intrinsic mortality rates -i.e to shorter lifespans- and to decreased age and size at eclosion; peak fecundity also shifted earlier in life.

Interestingly, safe enviroments in other studies lead to more longeve flies, later onset of fetility but not to the extention of fertility to older ages, as it is reported in this same study.

There are some long lasting experiments bein carried out with guppies in Trinidad that seem to confirm these same observations.

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Catastrophic events of massive reproduction and death

Another interesting relationship between sex and death has to do with those animals that undergo dramatic (and perhaps catastrophic) events of massive reproduction and then programmed death (often preceded by fast decay that resembles almost instant senescence). They are the semelparous animals:

Semelparous

organisms and others that die suddenly following reproduction (e.g. salmon, octopus, marsupial mouse (brown antechinus), etc.) also represent instances of organisms who incorporate a lifespan-limiting feature. Sudden death is more obviously an instance of programmed death or a purposeful adaptation than gradual ageing. Biological elements clearly associated with evolved mechanisms such as hormone signalling have been identified in the death mechanisms of organisms such as the octopus

.

Romantic Octopus 'Kisses' Mate During Sex

Evolution of ageing - Wikipedia

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All in all, there seems to be a genetic (and probably epigenetic too) program to maintain an orgahism healthy until some stage, after the “reproduction time” has had its time, but the phenomenon of senescence is not well understood yet, and its connection with sexual reproduction has to do with the ability of an organism to repair itself, while it can.