Este artículo fue publicado originalmente por Revista Knowable.
Hacia finales del siglo XIX, empezaron a aparecer por todas partes escabrosas historias de plantas asesinas. Terribles árboles con tentáculos arrebataban y engullían a los viajeros incautos en tierras lejanas. Profesores locos criaron monstruosas droseras y plantas de jarra con carne cruda hasta que sus voraces creaciones se volvieron y se las comieron también.
El joven Arthur Conan Doyle se acercó más a la ciencia en un relato protagonizado por la devoradora de carne favorita de todos, la Venus atrapamoscas. Basándose en las entonces novedosas revelaciones botánicas, describió con precisión las trampas de dos lóbulos, la forma en que capturaban a los insectos y lo bien que digerían a sus presas. Pero incluso sus trampas para moscas eran improbablemente grandes, tanto como para sepultar y consumir a un ser humano. Las plantas carnívoras y devoradoras de hombres estaban teniendo un momento, y por ello se puede agradecer a Charles Darwin.
Hasta la época de Darwin, la mayoría de la gente se negaba a creer que las plantas comieran animales. Iba en contra del orden natural de las cosas. Los animales móviles comían; las plantas eran alimento y no podían moverse; si mataban, debía ser sólo en defensa propia o por accidente. Darwin pasó 16 años realizando meticulosos experimentos que demostraron lo contrario. Demostró que las hojas de algunas plantas se habían transformado en ingeniosas estructuras que no sólo atrapaban a los insectos y otras pequeñas criaturas, sino que también los digerían y absorbían los nutrientes liberados de sus cadáveres.
En 1875, Darwin publicó Plantas insectívorasen el que detalla todo lo que ha descubierto. En 1880, publicó otro libro que rompía mitos, El poder del movimiento en las plantas. La constatación de que las plantas podían moverse además de matar inspiró no sólo un género enormemente popular de historias de terror, sino también a generaciones de biólogos deseosos de comprender las plantas con hábitos tan improbables.
Hoy en día, las plantas carnívoras están viviendo otro gran momento a medida que los investigadores empiezan a obtener respuestas a uno de los grandes enigmas sin resolver de la botánica: ¿Cómo evolucionaron las típicas plantas florales de modales suaves hasta convertirse en asesinas devoradoras de carne?
Desde los descubrimientos de Darwin, botánicos, ecologistas, entomólogos, fisiólogos y biólogos moleculares han explorado todos los aspectos de estas plantas que ahogan a sus presas en jarras llenas de líquido, las inmovilizan con hojas adhesivas de «papel matamoscas» o las aprisionan en trampas de presión y trampas de succión submarinas. Han detallado qué capturan las plantas y cómo, además de los beneficios y costes de su peculiar estilo de vida.
Más recientemente, los avances de la ciencia molecular han ayudado a los investigadores a comprender los mecanismos clave que sustentan el estilo de vida carnívoro: por ejemplo, cómo una trampa para moscas se encaja tan rápido y cómo se transforma en un «estómago» que exprime insectos y luego en un «intestino» para absorber los restos de su presa. Pero la gran pregunta sigue siendo: ¿Cómo dotó la evolución a estos inconformistas de la dieta con los medios para comer carne?
Los fósiles no han proporcionado casi ninguna pista. Hay muy pocos, y los fósiles no pueden mostrar detalles moleculares que puedan insinuar una explicación, dice el biofísico Rainer Hedrich de la Universidad de Würzburg, en Alemania, que explora los orígenes de la carnivoría en el 2021 Revista Anual de Biología Vegetal. Las innovaciones en la tecnología de secuenciación del ADN permiten ahora a los investigadores abordar la cuestión de otra manera, buscando los genes relacionados con la carnivoría, señalando cuándo y dónde se activan esos genes y rastreando sus orígenes.
No hay pruebas de que las plantas carnívoras hayan adquirido ninguno de sus hábitos bestiales secuestrando genes de sus víctimas animales, dice Hedrich, aunque a veces los genes pasan de un tipo de organismo a otro. En cambio, una serie de descubrimientos recientes apuntan a la cooptación y reutilización de genes existentes que tienen funciones ancestrales omnipresentes en las plantas con flores.
«La evolución es astuta y flexible. Aprovecha las herramientas preexistentes», dice Victor Albert, biólogo del genoma de las plantas de la Universidad de Buffalo. «En la evolución es más sencillo reutilizar algo que hacer algo nuevo».
Por extraño que sea, la carnivoría ha evolucionado repetidamente a lo largo de los más de 140 millones de años de existencia de las plantas con flores. La adaptación surgió de forma independiente al menos 12 veces, dice Tanya Renner, bióloga evolutiva de Penn State.
En cada ocasión, la fuerza motriz de la evolución fue la misma: la necesidad de encontrar una fuente alternativa de nutrientes vitales. Las plantas carnívoras crecen en pantanos y ciénagas, en masas de agua pobres en nutrientes o en suelos tropicales escasos, hábitats todos ellos con escasez de nitrógeno y fósforo esenciales para el crecimiento. Los insectos y otros pequeños invertebrados, llenos de proteínas, son ricas fuentes deambos, así como otros elementos que las plantas necesitan para prosperar. «Una Venus atrapamoscas puede vivir tres semanas con un solo insecto grande», dice Hedrich. «Si captura muchos insectos, produce más hojas y más trampas».
Hoy se conocen unas 800 especies carnívoras. Algunas, como las plantas de jarra y muchas droseras, son receptoras pasivas de presas, aunque con ingeniosas adaptaciones como bordes resbaladizos y pelos con puntas pegajosas que ayudan a asegurar la comida. Otras son más activas: Algunas droseras se enroscan hacia dentro, empujando a la presa hacia el centro más pegajoso de la trampa, mientras que unas pocas tienen un anillo exterior de tentáculos de rápido movimiento que lanzan a las víctimas a su perdición. La más sofisticada de todas es la Venus atrapamoscas, Dionaea muscipulacon sus pelos sensibles y sus trampas que distinguen el tacto de un insecto de la caída de una gota de lluvia o de una hoja muerta y que pueden juzgar el tamaño de la presa y responder en consecuencia.
A pesar de las enormes diferencias en la forma y el modo de matar, todas las trampas son hojas o partes de hojas modificadas. «Eso significa que estas plantas no sólo obtienen los nutrientes de una fuente diferente, sino que lo hacen por una vía distinta, principalmente a través de sus hojas y no de sus raíces», dice Renner.
¿Cómo llegaron las hojas a desempeñar funciones tan poco parecidas a las de las hojas? Para averiguarlo, los investigadores han recurrido a una mezcla de técnicas «ómicas»: genómica, transcriptómica y proteómica. Comparan los genomas de plantas carnívoras y no carnívoras; secuencian los transcritos de ARN que llevan las instrucciones de un gen para ver qué genes se activan, dónde y cuándo; y elaboran inventarios de proteínas para saber cuáles fabrican las trampas a la hora de comer.
Muchos rasgos del estilo de vida carnívoro aún no han revelado sus secretos genéticos. Pero los estudios de dos de sus elementos más desagradables -la digestión y la absorción- están revelando cómo la evolución reutilizó los genes existentes, poniendo algunos a trabajar en nuevos lugares y dando a otros nuevas funciones y algún que otro ajuste para adaptarlos mejor a sus nuevos papeles. En muchos casos, las plantas que evolucionaron hacia la carnivoría de forma totalmente independiente han reutilizado los mismos genes. Ante el problema de consumir carne, todas dieron con la misma solución, dice Albert. Y el centro de la transformación fue el antiguo sistema de defensa de la planta.
Ya en los años 70, los investigadores reconocieron que el fluido digestivo que encontraron en las trampas contenía enzimas que funcionaban de forma muy similar a muchas de las armas químicas que las plantas esgrimen contra las bacterias dañinas, los hongos y los hambrientos insectos herbívoros. Al principio, no estaba claro si las plantas carnívoras fabricaban las enzimas por sí mismas o si lo hacían los microbios que vivían en sus trampas. Desde entonces, los botánicos han confirmado que las plantas carnívoras producen muchas de esas enzimas y han descubierto docenas más. La tecnología actual de secuenciación, rápida y barata, ha permitido a los científicos moleculares identificar muchos de los genes que codifican estas enzimas digestivas y controlar su actividad cuando las plantas atrapan y procesan a sus presas.
La lista de enzimas incluye las quitinasas, que descomponen la quitina de los exoesqueletos de los insectos; las proteasas que disuelven la carne, que descomponen las proteínas; y la fosfatasa ácida púrpura, que permite a las plantas extraer el fósforo utilizable de los cadáveres deconstruidos de sus víctimas. Todas ellas desempeñan un papel en las omnipresentes y antiguas defensas de las plantas con flores. «Los genes de estas enzimas fueron reutilizados cuando las plantas empezaron a comer las cosas de las que originalmente se protegían», dice Albert. «Lo más probable es que las quitinasas fueran para defenderse de los hongos, que tienen quitina en sus paredes celulares. Más tarde, tras la evolución de los artrópodos, ayudaron a defenderse de ellos». Las enzimas que digieren proteínas también ayudaron a repeler a los atacantes.
La tendencia de la evolución a adoptar y adaptar las herramientas existentes va más allá de la digestión. A medida que la quitina, las proteínas y el ADN se rompen en moléculas más pequeñas, la trampa debe trasladarlas desde el mundo exterior al interior de la planta. En las plantas normales, la absorción de nutrientes es tarea de la raíz, donde las proteínas transportadoras los trasladan continuamente del suelo a la planta. «No es de esperar que esas proteínas funcionen en una hoja», dice Renner.
Sin embargo, eso es precisamente lo que el colega de Hedrich, Sönke Scherzer, ha encontrado en la Venus atrapamoscas mientras procesa sus presas: recientemente ha identificado transportadores para dos de los nutrientes más vitales de las plantas, el nitrógeno y el potasio. Al parecer, para que una hoja pueda absorber nutrientes, la evolución cooptó los genes de las raíces y los puso a trabajar en un lugar nuevo. La diferencia es que los genes transportadores están siempre activos en las raíces, pero en las trampas sólo se activan cuando los nutrientes empiezan a fluir desde la presa en descomposición.
La cooptación es un importante motor de la innovación evolutiva, y a menudo comienza con la duplicación accidental de genes durante el proceso celular.división. La mayoría de los genes duplicados no sirven para nada y acaban perdiéndose. Pero si los genes sobrantes adquieren mutaciones útiles, eso puede allanar el camino para un cambio de función. «La duplicación de genes siempre ocurre y a veces es altamente adaptativa», dice Albert. Esta parece haber sido la forma en que las plantas carnívoras evolucionaron sus habilidades para comer carne, al menos para los genes examinados hasta ahora.
Lo que resultó más sorprendente fue el descubrimiento de que, cuando y dondequiera que surgiera una nueva línea de carnívoros, la evolución actuaba sobre los mismos genes.
En 2017, el biólogo evolutivo Kenji Fukushima, colega de Hedrich y coautor del estudio 2021 Annual Review artículo, se unió a Albert y a un equipo internacional de investigadores para secuenciar el genoma de una planta carnívora australiana llamada Cephalotus follicularis. Al igual que muchos carnívoros, atrapa a sus presas en jarras -en este caso, jarras pequeñas, achaparradas y con boca dentada-, pero se encuentra en su propia rama del árbol genealógico de las plantas.
El equipo identificó muchos genes relacionados con diferentes aspectos de sus hábitos carnívoros, desde cómo la planta atrae a sus presas hasta cómo hace que el interior de sus jarras sea demasiado resbaladizo para que los insectos puedan escapar. La gran sorpresa llegó cuando investigaron los orígenes de las enzimas digestivas en Cephalotus y en otras tres especies no relacionadas: Nepenthes alata (una planta de jarra asiática), la jarra norteamericana Sarracenia purpureay una drosera, Drosera adelae. Todas ellas, resultó que habían reutilizado las mismas enzimas antiguas, que coincidían con las identificadas anteriormente en la Venus atrapamoscas. Entre ellas, estas cinco especies representan tres líneas independientes de carnívoros. Se trata de un caso clásico de evolución convergente, dice Albert. Sugiere que sólo hay caminos limitados para convertirse en una planta carnívora.
Profundizando, Fukushima descubrió que la evolución convergente iba más allá de la cooptación de los mismos genes. Una vez que las enzimas habían asumido sus nuevas funciones relacionadas con la carnivoría, seguían evolucionando, cambiando algunos de sus aminoácidos por otros que mejoraban su rendimiento, probablemente prolongando su actividad en un guiso inhóspito de sustancias químicas que destruyen las proteínas. Fukushima encontró las mismas sustituciones de aminoácidos en plantas no relacionadas.
A medida que continúan explorando la carnivoría, los investigadores están identificando muchas más enzimas. «Pero una y otra vez descubrimos que tienen funciones similares en especies emparentadas», dice Renner, que dirige una importante investigación sobre el papel de la cooptación en la formación de los carnívoros. Sin embargo, aunque esto refuerza la idea de que las plantas carnívoras adquirieron sus nuevas habilidades digestivas de la misma manera, hay una creciente sospecha de que podría no ocurrir lo mismo con el importantísimo mecanismo que controla toda la operación activando los genes adecuados en el momento oportuno.
La cadena de acontecimientos en la captura y la digestión se entiende mejor en el caso de la Venus atrapamoscas, la más escudriñada de las plantas carnívoras. Si un insecto incauto se posa en una de sus trampas y toca un pelo sensorial, desencadena una señal eléctrica. Si toca un segundo pelo -prueba de que es una presa y no una mota de tierra u hoja muerta-, la trampa se cierra.
A medida que el insecto se esfuerza y emite más señales eléctricas, la trampa también empieza a producir unas sustancias químicas llamadas «jasmonatos», que proporcionan la señal para sellar los bordes de la trampa y empezar a llenarla de enzimas. A medida que el cadáver del insecto se descompone, la trampa aumenta su producción de enzimas y comienza a producir transportadores de nutrientes, de nuevo bajo el control de los jasmonatos. Es un robo directo del sistema de defensa de las plantas, que responde al ataque de un insecto enviando señales eléctricas para dar la alarma a las células vecinas, que sintetizan jasmonatos, los cuales activan la producción de proteínas defensivas.
Como es omnipresente en todas las plantas con flores, la respuesta defensiva del jasmonato es una candidata principal para ser reclutada para la causa de la carnivoría. De hecho, dice Renner, «nuestra expectativa inicial era que el proceso de control podría ser el mismo en todas las plantas carnívoras». Y resulta ser el mismo para las plantas de jarra Nepenthes y las droseras, así como para las atrapamoscas, pero esas tres pertenecen al mismo orden de plantas, así que no es del todo sorprendente. Sin embargo, si miramos más allá de este trío, hacia las mariposas, algo descuidadas, encontraremos un tentador vistazo a la alteridad.
Los gusanos de mariposa (Pinguicula) son plantas poco vistosas con pequeñas rosetas de hojas cubiertas de pequeñas glándulas que rezuman un mucílago pegajoso y enzimas digestivas. La mayoría de las mariposas son totalmente pasivas, aunque unas pocas pueden rizar los bordesde sus hojas hacia adentro, cubriendo más al insecto en una sustancia viscosa letal. En 2020, el «butterwort» comenzó a atraer mucha más atención tras un informe del laboratorio de biofísica de Andrej Pavlovič en la Universidad de Palacký, en la República Checa.
Pavlovič y sus colegas descubrieron que, cuando alimentaban a las plantas de mariposa con una generosa ración de moscas de la fruta, éstas respondían produciendo enzimas, muchas de ellas iguales a las identificadas en otras plantas carnívoras. Hasta aquí, todo muy parecido. Pero cuando se trata del papel de los jasmonatos en la activación de la producción de enzimas, la historia es muy diferente.
Al igual que en otras plantas con flores, los jasmonatos orquestan la defensa de la mariposa contra sus enemigos. Al pinchar las hojas 10 o 15 veces con una aguja para imitar el ataque de un insecto, se produjo una gran acumulación de jasmonatos en las hojas. Las presas, por el contrario, no provocaron casi ninguna respuesta. El equipo probó otra táctica: rociar el jasmonato directamente sobre las hojas: En las Venus atrapamoscas y las droseras se produce un aumento de las enzimas digestivas. En los gusanos de mariposa-zilch.
Así pues, las butterworts hacen las cosas de forma diferente, aunque todavía no se sabe exactamente qué es lo que hacen. «Las butterworts nos han dejado rascándonos la cabeza», dice Renner. «La pregunta es: ¿cuántas otras plantas carnívoras han descubierto su propio camino?».
Si Darwin estuviera aquí hoy, se lanzaría a resolver los misterios que quedan de sus «plantas más maravillosas». No reconocería las técnicas de que disponen los investigadores modernos y se asombraría de la cantidad de datos que se pueden procesar en segundos. Pero cuando se trata de diseñar formas elegantes de probar teorías, estaría en un terreno conocido. «Secuenciar genomas, contar y analizar genes no es suficiente», dice Renner. «Todavía hay que hacer experimentos para averiguar qué hacen los genes y cómo funcionan».
Y eso significa alimentar a las plantas hambrientas. Darwin alimentaba a las suyas con carne asada y huevos duros, queso, guisantes y otros bocados llenos de proteínas. Hoy en día, el menú suele consistir en un «sustrato» menos apetitoso, dosificado con cantidades exactas de nitrógeno, pero no cabe duda de que Darwin se sentiría como en casa.
