Podemos pensar que los animales y los vegetales son cojos de una pata. Las plantas están fijas al terreno lo que les impide huir en caso del ataque de un herbívoro o buscar una zona con más agua, más luz o mejor sustrato. Los animales, por su parte, ignoran la fuente de energía más fácil y abundante, la luz solar, y tienen que dedicar grandes cantidades de tiempo, esfuerzo y riesgo a un sistema complejo y caro para conseguir y procesar alimentos. ¿Por qué no aprovechan los animales la luz solar a través de la fotosíntesis?

La respuesta es que hay bastantes especies que sí lo hacen. Los corales son animales pero tienen algas viviendo dentro de ellos y aprovechan la fotosíntesis de esas algas para conseguir productos energéticos.  Muchas otras especies marinas de esponjas a moluscos como Elysia chlorotica hacen lo mismo. Lo de Elysia es muy llamativo ya que hace la fotosíntesis con los cloroplastos de una de las algas de las que se alimenta (Vaucheria litorea) y que incorpora a los numerosos divertículos de su sistema digestivo. Cuando no hay muchas algas disponibles como comida, Elysia puede sobrevivir durante meses gracias a los glúcidos que producen esos cloroplastos mediante la fotosíntesis. Elysia chlorotica no puede sintetizar sus propios cloroplastos pero la capacidad que tiene de mantenerlos viables durante meses indica que debe poseer genes de apoyo a la fotosíntesis en su propio genoma nuclear. De hecho se ha encontrado un gen que es vital para el alga, psbO, un gen nuclear que codifica una proteína estabilizadora del manganeso en el complejo del fotosistema II en el genoma del molusco. Este gen del animal es idéntico al del alga,  se encuentra ya en los óvulos y espermatozoides de Elysia chlorotica y probablemente ha llegado por una transferencia génica horizontal.
La mayoría de estas relaciones endosimbióticas son con invertebrados que no son muy móviles y que tienen una proporción superficie/volumen muy alta,  pareciéndose a hojas que se movieran lentamente. Hay discusiones sobre si los áfidos,  esos pulgones de los rosales que tienen un color verdoso, podrían ser un ejemplo de insecto fotosintético pero es una hipótesis con muy poco apoyo.

Recientemente se ha incorporado a esta sugerente lista un animal mucho más cercano a nosotros, el primer vertebrado que aprovecha directamente la fotosíntesis: una salamandra denominada Ambystoma maculatum (Shaw, 1802), anfibio oficial de Carolina del Sur y cuyo rango geográfico se extiende entre el sur de Canadá y el este de los Estados Unidos, llegando hasta Texas.
La historia viene de hace más de un siglo, en 1888 cuando el biólogo Henry Orr observó que los huevos de la salamandra eran colonizados poco después de la puesta por unas algas denominadas Oophila amblystomatis. En la década de 1940 se publicó que existía una auténtica relación simbionte entre ambas especies donde los embriones del anfibio generaban producto de desecho al metabolizar sus reservas proteicas  que las algas aprovechaban como si fueran un abono nitrogenado y ellas, a su vez, producían oxígeno como producto secundario de la fotosíntesis, que el embrión respiraba. Otro artículo publicado por Gilbert en 1944 indicaba que los embriones que tenían más algas tenían mayor probabilidad de sobrevivir y se desarrollaban más que los que tenían pocas o ninguna.

En 2011 esta historia tuvo un nuevo descubrimiento. Un examen con la tecnología microscópica actual realizado por Ryan Kerney de la Dalhousie University en Hálifax, Nova Scotia, Canadá, puso de manifiesto que algunas algas vivían dentro de los embriones y algunas de ellas estaban dentro de las células del embrión. Kerney tomó una imagen de fluorescencia con una larga exposición. Esto mostró células fluorescentes, sin haber usado ningún tipo de marcador, ampliamente distribuidas por el cuerpo del embrión, un indicador de que las células podían contener clorofila.

Cuando miró con un microscopio electrónico de transmisión lo que vio fue que las células de la salamandra que contenían algas en su interior mostraban varias mitocondrias rodeando el alga simbionte. Las mitocondrias son las calderas energéticas de las células animales y convierten los principios inmediatos en ATP, la molécula que la célula utiliza para almacenar energía. La presencia de las mitocondrias alrededor de la célula del alga sugiere que pueden estar aprovechando con rapidez el oxígeno y los glúcidos generados por la fotosíntesis.

La posibilidad más lógica era que los embriones de la salamandra no solo estuvieran tomando el oxígeno de las algas sino también glucosa. Para comprobar si eso era lo que estaba pasando, Erin Graham de la Universidad Temple en Filadelfia y su grupo incubaron huevos de salamandra en agua con un isótopo radioactivo, carbono 14. Las algas cogían del agua CO₂ con el carbono radioactivo y producían glucosa radioactiva. Graham comprobó que los renacuajos mostraban radioactividad en su cuerpo lo que indicaba que metabolizaban la glucosa. Como comprobación final, vio que esto no sucedía si los embriones se mantenían en la oscuridad o si se trataban con un alguicida. Es decir, la salamandra solo presentaba el carbono radioactivo si las algas hacían la fotosíntesis, no porque hubiera entrado por difusión o de cualquier otra manera.

Las algas no parecen ser imprescindibles para el desarrollo de los embriones de la salamandra pero sí una gran ayuda. A los componentes nutritivos almacenados en el huevo se suman aquellos que aportan los cloroplastos. Estos datos hace pensar sobre temas muy importantes: el reconocimiento célula-célula, el posible intercambio de metabolitos o de genes y la posible congruencia entre las estructuras de las dos células, la del anfibio y el alga.

Por otro lado, no está claro tampoco si las algas son capaces de desarrollarse de forma independiente de las salamandras. En el laboratorio se transforman rápidamente en cistos, estructuras de resistencia que les mantienen en un estado de letargo. Evidentemente las puestas de salamandra solo están disponibles en primavera, lo que indicaría que en la naturaleza, las algas pasarían el resto del año en forma de cistos. Muchas de esas charcas se secan en verano –las salamandras no ponen los huevos en charcas estables porque entonces se los comen los peces- por lo que los cistos mantendrían las algas vivas en el légamo hasta que las lluvias del otoño recuperasen el agua de las charcas intermitentes.

Es posible que haya otros vertebrados que aprovechen la fotosíntesis. Los mejores candidatos son aquellos que pongan huevos en el agua puesto que sería más fácil el acceso. Por tanto, lo más probable es que si aparece alguno más, sea entre los anfibios o los peces, mientras que no parece plausible un mecanismo para reptiles, aves o mamíferos cuyos embriones son mucho menos accesibles.

No se sabe en qué momento y cómo entran las algas en el embrión. Un momento clave es el comienzo de la formación del sistema nervioso. Un video de time-lapse realizado por Roger Hangarter muestra un flash de fluorescencia verde en el límite de cada embrión justo en esta fase del desarrollo. El flash corresponde a un “bloom” de algas, que probablemente es estimulado por una liberación de productos ricos en nitrógeno por parte del embrión. Si se abre una ventana de expulsión para estos desechos, es posible que esa misma apertura se pueda usar para entrar y el gran número de algas en ese momento aumenta las posibilidades de que alguna pueda entrar. Eso explica también porqué muchos investigadores han fallado a la hora de encontrar algas dentro de los embriones: porque los buscaban en embriones en fases tempranas del desarrollo que no han sido invadidos todavía por las algas o cuando todavía hay muy pocas. Es importante destacar que eso no significa necesariamente que no haya nunca algas en estadios tempranos. Uno de los resultados más llamativos de Kerney es la presencia de algas en los oviductos de una salamandra donde se forman los sacos gelatinosos que acompañan al embrión. Para comprobarlo, el ADN ribosómico de 18S del alga fue amplificado desde los tractos reproductores de una salamandra adulta, lo que sería consistente con una transmisión oviductal de algas desde una generación de anfibios a la siguiente.

Un punto importante es porqué no funciona el sistema inmunitario del anfibio para destruir a las algas que han llegado al interior del embrión. Los vertebrados tenemos un potente sistema de reconocimiento que destruye cualquier material biológico que no sea propio. Hasta ahora pensábamos que era imposible que un simbionte viviera de forma estable dentro del cuerpo de un vertebrado. Pero luego se ha visto (ver los experimentos que cuenta Agapakis) que es factible y en este caso, o las células de la salamandra consiguen de alguna manera desconectar su sistema inmunitario o las algas son capaces de ocultarse de él, engañarlo, hacerle creer que son material propio.

Las salamandras tienen una propiedad llamativa que es un capacidad para regenerar una extremidad perdida, una parte del cráneo, incluso partes del cerebro, lo que implica que un gran número de células del adulto tienen capacidad pluripotencial, pueden dar lugar a un gran numero de tipos celulares, como si fueran células madre. Es posible, sin poderlo afirmar con claridad todavía, que esto esté relacionado con la capacidad para recibir las algas en su interior porque el proceso de autoreconocimiento es diferente del que sucede en otros grupos de vertebrados. Una gran pregunta es si las algas son capaces de meterse en los óvulos, lo que rompería uno de los grandes dogmas sobre el sistema inmune de los vertebrados y donde la salamandra sería una quimera biológica desde su concepción. Hasta ahora no hay respuesta a ese interrogante.

Para leer más:

• Agapakis C. (2011) http://scienceblogs.com/oscillator/2011/04/20/synthetic-endosybiosis/
• Graham ER, Fay SA, Davey A, Sanders RW. (2013) Intracapsular algae provide fixed carbon to developing embryos of the salamander Ambystoma maculatum. J Exp Biol. 216: 452-459.
• Kerney R, Kim E, Hangarter RP, Heiss AA, Bishop CD, Hall BK. (2011) Intracellular invasion of green algae in a salamander host. Proc Natl Acad Sci U S A. 108(16): 6497-6502.
• http://www.nature.com/news/2010/100730/full/news.2010.384.html
• http://www.newscientist.com/article/dn23090-zoologger-the-first-solarpowered-vertebrate.html