Vida a alta presión

Vida a alta presión

Por :Luciana Andrín

Al descender 30 millas por debajo del suelo o 100 millas debajo del océano las condiciones de vida se tornan extremas. Incluso a temperatura ambiente la presión compactaría una simple célula bacteriana y comprimiría el agua en hielo.

Por el grupo de redactores de Astrobiology Magazine

Al descender 30 millas por debajo del suelo o 100 millas debajo del océano las condiciones de vida se tornan extremas. De hecho, incluso a temperatura ambiente la presión a dichas profundidades compactaría una simple célula bacteriana y comprimiría el agua exterior convirtiéndola en hielo sólido. Debido a estas condiciones hostiles la mayoría de los investigadores sacan en conclusión que sólo pueden sobrevivir algunas formas de vida exóticas a dichas profundidades y altas presiones – aproximadamente 16 mil veces la presión a nivel del mar. Pero un estudio reciente publicado en la revista Science destaca lo que quizás revele una gran biomasa subterránea, incluso para bacterias comunes de la superficie. Estos descubrimientos alientan a la búsqueda de vida en las profundidades de los planetas como por ejemplo la superficie de Marte o Europa, donde podría encontrarse una zona habitable de sobrevivientes a presiones elevadas.

Se observaron células simples de Shewanella oneidensis adhiriéndose a un cantilever del microscopio de fuerza y se midió su adherencia a los nutrientes metálicos mediante el cambio de deflexión de un rayo láser. Reconocimientos: S. Lower, M. Hochella, R. Weaver y M. Fortney /Virginia Tech

En el Laboratorio Geofísico del Carnegie Institution de Washington, un grupo de científicos liderados por el Dr. Anurag Sharma, geofísico, y James Scott, microbiólogo, realizaron pruebas relacionadas con dichos límites biológicos para la vida a presiones elevadas. Las herramientas que escogieron para examinar algunas bacterias comunes combinaban sus conocimientos tanto en física como en biología. Colocaron estas poblaciones de bacterias en empuñaduras del tipo usado en tornos, ejerciendo una presión equivalente a la observada en las profundidades terrestres.

Bajo presión

Utilizando un yunque de diamante del tipo usado en tornos, tradicionalmente encontrado en los laboratorios de física y geología de altas presiones, el equipo se centró en dos especies particulares de bacterias – E. Coli, una bacteria que se encuentra con frecuencia en los intestinos humanos, y las bacterias que reducen el metal denominadas Shewanella oneidensis. Shewanella es un agente importante en el desgaste de las rocas, ya que los organismos pueden básicamente respirar ‘polvo’ mediante la reducción de los componentes metálicos para obtener su energía. Como control alternativo, se estudió E. Coli por ser uno de los microbios más comunes y mejores descriptos. Gracias a la gran cantidad de mediciones, se ha acumulado más conocimiento científico acerca del organismo E. Coli (su bioquímica, genética y metabolismo) que de cualquier otra especie terrestre.

Incluso en la Tierra, el interrogante acerca del mundo subterráneo está lejos de ser académico. Casi la mitad de la superficie terrestre se considera mar profundo (o el 75 por ciento del total del agua del océano, que cubre más del 70 por ciento de la superficie terrestre). Por debajo de los 10 kilómetros (6 millas), esas aguas profundas son consideradas con frecuencia como un desperdicio de tierra biológica ya que las reacciones enzimáticas típicas comienzan a fallar bajo presiones extremas. Pero si bien es difícil medir con exactitud la biomasa que se encuentra debajo de la superficie, algunos indicios indicarían que de hecho la vida de la superficie es la más rara y no la biología terrestre más común. Sharma indicó que la biomasa subterránea es vasta, y “las estimaciones varían del 30 al más del 90 por ciento de la diversidad de la superficie terrestre. Estas son solamente especulaciones, ya que deben considerarse controles ambientales y de energía mucho más restringidos.”

La vida más allá de los límites comunes de presión E. coli, una bacteria común de los intestinos humanos Reconocimientos: MICRON

Según el Dr. Sharma, un rasgo de su enfoque fue la visión integral de los prerrequisitos biológicos para la supervivencia bajo condiciones extremas. En trabajos anteriores “se consideraba que los límites de la presión se basaban en los límites de la actividad enzimática y la viabilidad de la membrana celular definida por los estudios biofísicos. Sin embargo, dichos estudios nunca se realizaron en organismos completos hasta ahora. Nuestro estudio muestra que la presión no es un factor restringente en la viabilidad de la vida.”


Pero en el laboratorio de alta presión Sharma y Scott primero intentaron fijar la supervivencia a temperatura ambiente de sus colonias de bacterias. En las primeras pruebas se tiñeron las dos clases de bacterias (lo que hará resaltar solo aquellas células con un metabolismo activo capaces de captar la tintura). La segunda prueba examinó la bioquímica que hizo posible que aquellos organismos supervivientes obtuvieran su fuente de energía. Estas pruebas mostraron supervivencia pero no necesariamente reproducción o crecimiento a presiones elevadas. A fin de medir la subsistencia y resistencia de los organismos, el equipo tiene planeado otros estudios que intentarán determinar las tasas de crecimiento y réplica bacteriana.

Incluso en ausencia de oxígeno dichas bacterias resistentes pueden modificar radicalmente su metabolismo. En el caso de E. Coli y Shewanella en particular, las bacterias cambiaron su metabolismo hacia una respiración de conservación de energía. Tal notable letargo está vinculado a la presencia de un químico denominado formiato. El formiato es el ácido orgánico más simple. Según los científicos del Instituto Carnegie, el metabolismo del formiato también resultó ser valioso como pista fácil de seguir que indica que de hecho las bacterias permanecían vivas bajo las presiones más altas estudiadas hasta el momento con dichas células.

Desafíos planetarios para sondear las profundidades para la vida

Una prioridad que debe ser estudiada a continuación es si los organismos sometidos a presiones elevadas desarrollan una población estable por selección o por adaptación. Según Scott, “Uno de los interrogantes fundamentales que deben plantearse ahora es si la respuesta que exhiben las bacterias es debido a la adaptación o a la selección. De nuestros resultados surgen importantes interrogantes acerca del impacto de la presión sobre la evolución de la vida”.

Sonda oceánica del subsuelo de Europa, una de las lunas de Júpiter (Icepick, o el estudio para el desarrollo del Explorador del Océano de Europa) que, según se cree, posee una capa líquida calentada por las fuerzas de las mareas producidas por la órbita excéntrica alrededor de Júpiter, de forma muy similar a cómo se calienta un clip cuando se lo dobla repetidamente. Reconocimiento: NASA JPL

La respuesta a cómo dichas bacterias en primer lugar obtuvieron esta característica de la supervivencia muy probablemente determinará si es posible encontrar una zona habitable única fuera del laboratorio en la Tierra o en cualquier otro lugar del sistema solar, y también si esas características bacteriales son comunes o aparecen solo entre sus colegas más exóticos, los llamados extremófilos. En la visión más simple de la evolución, la selección natural se basa en la supervivencia de los más aptos, en donde un porcentaje de la comunidad bacterial inicial debe ser capaz de soportar incluso las presiones elevadas. Pero la adaptación probablemente se base en un cambio más dinámico dentro de la población como un todo, en donde se desarrolló una clase de camino de supervivencia distinto a lo largo de las generaciones para ajustarse a esa presión inhóspita.

Aun se desconocen los niveles de presiones en otros cuerpos planetarios. Los resultados de la nave Galileo mostraron que Europa casi con seguridad tiene una capa de hielo de entre 60 y 120 millas (100 a 200 km) de espesor, pero a dichas profundidades la mayoría de las exploraciones de densidad han sido incapaces de diferenciar un líquido de un sólido. Después de la Tierra, Europa actualmente es considerado como el candidato con mayores probabilidades (y el único) en el sistema solar de poseer algo de agua líquida (hasta una profundidad de 50 km o 30 millas). De las 61 lunas del sistema solar, solo hay otras cuatro (Io, Ganímedes, Titán y Tritón) que tienen atmósferas.

La investigación de las bacterias subterráneas se extiende más allá de las fronteras de la biología y la física. El subsuelo de un cuerpo planetario, por ejemplo, probablemente también necesite una forma de reciclar o renovar su provisión de nutrientes a la atmósfera de la superficie y viceversa. Según Sharma: “Al final, los componentes metabólicos deben ser reciclados, de lo contrario todo el sistema quedará atascado. Por consiguiente, debe haber al menos alguna interacción con la atmósfera.”

En la naturaleza, algunas de las muestras terrestres más profundas fueron recolectadas en la Antártida, debajo del Lago Vostok, de donde se extrajeron organismos viables de una profundidad de dos millas y media (~ 4 km) y a temperaturas por debajo del punto de congelación (14 F) o –10 C. Una línea de pensamiento propuesta por primera vez por Thomas Gold de Cornell indicaba que la frecuente coexistencia de helio y petróleo en perforaciones profundas apuntaba a un ecosistema viable varias millas por debajo de la superficie terrestre. Según Gold, la concentración de ese helio es un posible rastreador biológico o señal de ecosistemas subterráneos.

“Pronto lo único que limitará nuestras investigaciones sobre la supervivencia de la vida en la Tierra y más allá será nuestra imaginación”, concluye Scott.

¿Qué hay después?

Para el equipo científico del Carnegie, los desafíos y oportunidades de usar una celda de yunque de diamante, o DAC (Diamond Anvill Cell), como un tipo de plato Petri están recién comenzando a ser exploradas en forma activa. Como observa Sharma, hay muchos experimentos ya planeados o en curso. Por ejemplo, “aunque no existen pruebas de la división de células en estas condiciones extremas, las células han mostrado, sin embargo, cambios de forma, aumentos de tamaño, deformaciones, etc.,” dijo Sharma. “Estamos a medio camino de completar los experimentos para determinar si hay alguna división de células (‘crecimiento’) luego de que el sistema experimente la descompresión, lo que dará respuestas a muchos de los interrogantes importantes sobre las implicancias de este estudio”.

“Creo que otro de los desafíos será el de ser capaz de aprovechar las herramientas y etiquetas biológicas moleculares en el DAC. Etiquetar células mediante exploradores de ARN para examinar síntesis de proteínas y réplicas celulares podría identificar con exactitud el interrogante del crecimiento”. E. coli contiene particularmente más de 1.000 enzimas solubles conocidas, muchas de las cuales pueden rastrearse en la compleja cadena de su ciclo de vida. “Asimismo”, observa Sharma, “el desafío de realizar análisis con las células luego de salir del DAC es aún un desafío importante, ya que hay muchos análisis que no pueden realizarse dentro de la celda de diamante. Cómo aplacar células sin dañarlas puede ser un desafío... Actualmente, estamos trabajando en el desarrollo de técnicas experimentales para responder a dichos interrogantes”.