En busca de la sabiduría de los antiguos: esteras microbianas y biofirmas

En busca de la sabiduría de los antiguos: esteras microbianas y biofirmas

Por :Fernando Muñoz Sagasta

El conocimiento de las comunidades microbianas puede darnos las claves de cómo la vida modeló la Tierra hace miles de millones de años – y puede ayudarnos a encontrar señales de vida en otros planetas.

La vida configuró la naturaleza química y geológica de la Tierra. Lo que los seres vivos comen y excretan repercute en la composición de la atmósfera, las rocas y los océanos.

La vida comenzó poco después de la formación del planeta, iniciándose una evolución entrelazada durante tres mil millones de años entre los sistemas de seres vivos y la Tierra. Sin la influencia de la vida, la Tierra sería un planeta muy diferente.

Los astrobiólogos quieren conocer esta coevolución que dio origen a la Tierra actual, así como conocer cómo evolucionó la vida y descubrir métodos de encontrarla en otros planetas. Para conseguirlo, estudian a los habitantes más antiguos y exitosos de la Tierra: los microbios.

Los microbios se agrupan en comunidades llamadas esteras microbianas, las cuales son ciudades de células que viven en simbiosis, y que se pueden hallar en todas partes: en lugares secos, salados, fríos y calientes. Se los puede encontrar en recónditos lugares inhabitables por organismos pluricelulares. Nos resultan tan familiares a la mayoría como nuestra placa dental. Su historia se remonta como mínimo a 3,4 mil millones de años –más de 10 millones de veces el tiempo de la existencia de la especie humana y ¾ del tiempo desde la formación de la Tierra.

Aunque las esteras microbianas se parecen a una capa de suciedad parduzca o grisácea, son ecosistemas complejos que contienen gran diversidad de seres vivos: Una red cooperativa de toma y daca que hace sostenibles las comunidades, en la cual un microbio utiliza los desechos de un segundo para producir el alimento de un tercero.

El investigador del NAI, Kelly Decker, de la Universidad del estado de California-Monterrey, estudia los microbios en las salinas de una compañía de Baja California. Allí los microbios crecen en densas capas. Si se corta transversalmente la estera microbiana, se pueden observar franjas de diferente color que descienden varias pulgadas. Los microbios establecen su nicho ecológico: los que producen energía a partir de la luz están en la parte superior –más cerca del sol, mientras que los que no quieren oxígeno están cerca del fondo. La energía atraviesa las capas en forma de productos químicos, que consisten en elementos biológicamente tan importantes como el hierro y el azufre.

Simulaciones de ecosistemas: de lo micro a lo global.

Decker y sus colaboradores están desarrolando un programa informático que simula ecosistemas de esteras microbianas. Su programa MBGC (Biogeoquímica microbiana) modela el desarrollo de los cuatro grupos principales de esteras microbianas y tiene en cuenta influencias ambientales para calcular el movimiento y el ciclo del oxígeno, azufre y carbono.

No es la primera simulación del comportamiento de esteras microbianas, pero constituye un importante adelanto en este ámbito, ya que es el primero en crear modelos de esteras en equilibrio y que produce predicciones que los autores pueden comparar con una estera real.

En un artículo publicado en FEMS, Decker y sus colegas comparan los resultados de sus simulaciones con el comportamiento de comunidades de esteras microbianas en Méjico. Las esteras, ubicadas en Guerrero Negro, en el Sur de Baja California, están submergidas a unos pies de profundidad en agua muy salada (70-98% de salinidad). Las esteras tienen sobre cinco centímetros de grosor y están compuestas de finas capas de comunidades de microbios, como capas compactas de hojaldre. La superficie de la estera está dominada por cianobacterias, las cuales obtienen energía de la luz del sol. Otros miembros de este complejo ecosistema utilizan las sustancias químicas producidas por las cianobacterias para formar otras sustancias químicas que usan las cianobacterias y otras más. Esta comunidad diversa incluye bacterias que producen o utilizan sulfuro de hidrógeno, producen metano y fementan azúcar.

Las esteras microbianas tienen vida diurna y nocturna distintas. Durante el día, la cianobacteria realiza la fotosíntesis, hipersaturando de oxígeno las capas superficiales. En cambio, durante la noche, el oxígeno es absorbido y eliminado de la estera por medio de la respiración. El azufre, en cambio, sigue el patrón opuesto. Las capas superficiales de la estera tienen poco azufre durante el día mientras que la cianobacteria lo usa en sus procesos fotosintéticos. Durante la noche los niveles de azufre suben como consecuencia de la actividad de la bacteria reductora de azufre, la cual vive en capas de debajo de las cianobacterias.

Tanto las bacterias incoloras del azufre como las purpúreas utilizan también el azufre producido por la bacteria reductora. Las capas purpúreas de la bacteria purpúrea del azufre se encuentran debajo de las capas verdes de cianobacterias y de las bacterias incoloras del azufre, porque usan una onda de luz que penetra más profundamente en la estera que la luz usada por sus vecinas.

El programa MBGC modela el comportamiento de los cuatro grupos principales de bacterias y reproduce el ciclo del oxígeno, sulfuro y carbono a través de las capas. Para evaluar las predicciones del modelo, Decker y sus colegas visitaron las esteras mejicanas con el objeto de realizar mediciones de propiedades esenciales, que incluyen los gradientes de oxígeno y azufre así como la profundidad de penetración de la luz. Llevan a cabo varios ensayos al día con la finalidad de comparar diariamente los resultados con las fluctuaciones predichas por el modelo.

Los investigadores encontraron generalmente, a escalas espacio-temporales pequeñas, una gran coincidencia entre su modelo y la estera. Actualmente desean comenzar a aplicar el modelo a escalas mayores. En última instancia, la escala del tamaño será toda la Tierra; la del tiempo será un período que va de 2,5 mil millones de años a unos pocos millones, recreando la historia de cómo la vida afectó a la composición química de la Tierra.

Este macro-modelo seguirá la pista de la liberación de gases como oxígeno, dióxido de carbono, metano y sulfuro de hidrógeno en la atmósfera. El modelo se adaptará para determinar qué condiciones atmósfericas de otros planetas pueden indicar la presencia de vida. Luego dependerá de otros investigadores el estudio de la atmósfera de otros mundos con la esperanza de encontrar las biofirmas.

Vida en mundos lejanos

Se han detectado aproximadamente 150 planetas allende nuestro sistema solar, cantidad que va aumentando rápidamente. Cualquier evidencia de vida en estos planetas tendría que ser encontrada desde lejos, ya que la recogida de muestras supondría realizar viajes demasiado largos. De hecho, llevaría casi 400.000 años alcanzar la estrella más cercana a velocidad de astronave.

La investigadora del NAI, Victoria Meadows, del CalTech, no quiere esperar tanto tiempo. Ella junto con sus colegas del Laboratorio Planetario Virtual del NAI (VPL) buscan métodos de detección de vida en planetas lejanos, determinando qué indicios son los que indican vida planetaria con más probabilidad, y cómo medirlos.

La característica más accesible para estudiar planetas lejanos es su atmósfera. Los gases que circundan un planeta pueden ser identificados por el espectro de luz que emiten. Por ejemplo, el oxígeno emite longitudes de onda distintas que el metano. Los científicos conectan un espectrómetro a un telescopio para leer las longitudes de onda que emite un planeta. Este experimento está experimentando cambios porque la intensísima luz de las estrellas impide ver la luz de los planetas.

Antes de que se descifren los datos atmósfericos, los científicos necesitan saber qué gases son buenos indicadores de luz. Para determinar esto último, los investigadores del VPL empiezan con la Tierra –nuestro principal ejemplo conocido de un planeta que alberga vida. Ellos se preguntan: ¿Qué gases atmosféricos le indicarían a una comunidad extraterrestre que la Tierra alberga vida? Y: ¿Cómo reconoceremos ámbitos con vida cuando los veamos?

Un signo potencial de vida, o biofirma, es el oxígeno. Como el oxígeno es altamente reactivo, habría poco oxígeno en la atmósfera de la Tierra si las plantas y bacterias estuviesen produciéndolo constantemente. La presencia de grandes cantidades de oxígeno, coexistiendo con vapor de agua y dióxido de carbono, debería constituir una buena evidencia de fotosíntesis u otro tipo de vida en cualquier planeta.

La falta de oxígeno no significa necesariamente falta de vida. En la Tierra ya había vida al menos mil millones de años antes de que la atmósfera tuviese oxígeno. Pero hay más biofirmas potenciales. El óxido nitroso sólo es producido por seres vivos, pero sería difícil de detectar si es tan raro en las atmósferas de otros planetas como lo es en la de la Tierra. El metano es otra posibilidad, pero su presencia no se debe necesariamente a la vida. Una mezcla de gases que no son habitualmente encontrados juntos es evidencia de algunos procesos activos –quizás la vida.

Los métodos que se están desarrollando para modelar la química de la vida y medir los componentes atmosféricos de planetas remotos serán utilizados en futuras misiones de la NASA, junto con el Detector de Planetas Terrestres, cuyo lanzamiento está programado para después del 2014. Con el potencial que suponen tantos planetas, esto no es sino el comienzo.