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Bacterias extremofilas
( Publicado en Revista Creces, Julio 2002 )
Últimamente se han descrito algunas criaturas que viven en condiciones
extremadamente difíciles, en las más increíbles regiones del planeta. Se
piensa que muchas de ellas pueden haber sido las primeras que se
desarrollaron en el planeta, y tal vez otras semejantes puedan existir en otros
lugares del sistema solar.
Sumergirse en agua hirviendo, cocinarse en el desierto, helarse hasta los huesos o
bañarse en ácido es lo que podríamos considerar un infierno. Sin embargo, para miles
de criaturas no hay nada mejor que eso. Ellas se encuentran en los más increíbles
lugares: en las surgencias volcánicas del fondo del océano, en cavernas que han estado
aisladas por millones de años, y en desiertos donde jamás ha llovido. Si estos
organismos logran sobrevivir bajo estas condiciones tan hostiles, uno podría razonar
que ellas podrían existir en cualquier otra parte del Universo.
Algunos de los más sorprendentes hallazgos se han encontrado en la frontera de la
Tierra; "el fondo del mar", el lugar que conocemos menos que la cara oculta de la luna.
Hasta el año 1880 se pensaba que el fondo del mar estaba muerto, y algunos incluso
afirmaban que la vida no podría existir a profundidades mayores de 600 metros. Pero
fue en el año 1884, cuando el biólogo francés, A. Certes encontró actividad
microbiológica en muestras de agua extraídas a 5100 metros de profundidad, lo que
inspiró a otros para explorar la vida en los abismos. Con todo persistió la idea de que
las profundidades del océano debían estar muy escasamente pobladas, ya que se
asumía que sin fotosíntesis, no podría existir una fuente de energía, ni nutrientes. Por
lo tanto nada que fuera más complejo que los microbios, podría vivir allí.
Pero podían. En 1977, John Corliss y John Edmond, dos geólogos, descendieron en el
submarino Alvin y observaron una espectacular gama de vida. Mientras a una
profundidad de 2500 metros buscaban evidencias de fracturas intercontinentales, cerca
de las Islas Galápagos encontraron emanaciones calientes, denominadas "surgencias
hidrotérmicas", rodeadas por comunidades de almejas, cangrejos, gusanos de 2 metros
de largo, anémonas marinas y grandes peces. Dos años después, otra expedición del
submarino Alvin descubrió organismos amontonados alrededor de "fumarolas negras"
que surgían en regiones volcánicas calientes del fondo marino, junto con aguas ricas en
minerales.
Impresionados por estos nuevos descubrimientos, los científicos comenzaron a buscar
vida en lugares que previamente se habían considerado como inhabitables, como eran
los más profundos niveles del océano, las rocas bajo el suelo o las partes altas de la
atmósfera. Una inspección más cercana de estos ambientes extremos ha permitido
comprobar diversos tipos de microorganismos especializados, que se han llamado
genéricamente "extremófilos".
Un stress obvio en ambientes extremos, es la temperatura, por lo que se han llevado a
cabo numerosos experimentos con el objeto de encontrar las más bajas y más altas
temperaturas que pueden soportar diferentes especies (figura 3). Pero más importante
que el calor o frío, es la disponibilidad de agua líquida. Si estas criaturas pueden
detener el congelamiento o el hervor del agua, logran vivir a temperaturas extremas.
Las "arqueas", posiblemente las criaturas más antiguas de la Tierra, han sido las más
capaces para adaptarse a extremos, incluyendo temperaturas sobre 100ºC. Estos
microbios representan una de las tres ramas mayores de la vida, junto con los
"prokaryotes" (verdaderas bacterias) y "eukariotes" (todos los organismos con células
nucleadas). Las arqueas son similares en tamaño a los prokaryiotes, pero su
metabolismo es radicalmente diferente. Varias especies se manejan a temperaturas por
sobre 100ºC, siempre que el agua se mantenga sin hervir, como por ejemplo si está
presurizada, lo que eleva el punto de ebullición. El récord olímpico de alta temperatura
lo tiene una arquea llamada "Pyrolobus fumarii", que se describió por primera vez en el
año 1997. Ella se desarrolla a temperaturas sobre 113ºC, pero no hay ninguna razón
para suponer que el récord no pueda aún superarse. Se sabe que algunas enzimas
pueden trabajar más allá de 140ºC y muchos investigadores de extremófilos creen que
los límites absolutos de temperaturas de sobrevivencia en la Tierra, pueden ser tan
altos como 150ºC. Los límites para bacterias y eukariotes son mucho menores y oscilan
entre 90 y 60ºC respectivamente.
Cerca del punto de congelamiento se observa una situación similar. Los organismos
pueden sobrevivir a temperaturas bajo cero, siempre y cuando puedan encontrar un
método para mantener el agua líquida. En las tres ramas de la vida hay especies que
pueden sobrevivir a temperaturas bajo el punto de congelamiento. El récord lo tienen
las moscas del Himalaya y ciertas bacterias. Ellas se mantienen activas a -18ºC. A
bajas temperaturas, el daño más importante que sufren las células es debido a los
cristales de hielo que se forman en su interior. En el laboratorio, muchos
microorganismos, células eucarióticas conservadas y líquenes, pueden sobrevivir a un
shock de congelamiento con nitrógeno líquido, ya que los cristales de hielo no tienen
tiempo de formarse antes que las células se congelen sólidas. Muchas especies de
peces producen moléculas anticongelamiento, como proteínas o "glicoproteínas" que
son proteínas ensambladas con azúcar. Algunas especies de sapos pueden sobrevivir
congelados, estimulando la formación de hielo en sus cuerpos, ya que la rápida
formación de muchos pequeños núcleos de hielo, previene el crecimiento de cristales
más destructivos. Mecanismos adaptativos similares, también ocurren en microbios que
se manejan dentro de los hielos antárticos.
El requerimiento de agua líquida es lo que hace difícil sobrevivir en los desiertos. En el
Desierto de Namib, la planta "Welwitschia mirabilis", es una de las especies que se las
ha arreglado para desarrollar mecanismos de adaptación. Descubierta en el siglo XIX
por el botánico Friedrich Welwitsch, tiene un brote en forma de nabo del que se
desprenden sólo dos hojas. Miden más de un metro de largo, yacen en el suelo y
parecen estar podridas.
La planta puede vivir con menos de 10 milímetros de agua de lluvia al año y algunas
tienen más de mil años. Aun en sequías graves, cada año la planta florece, pero la
mayor parte de sus esfuerzos se pierde, ya que las semillas sólo germinan durante los
poco frecuentes años húmedos, cuando la superficie permanece húmeda por lo menos
una semana. Este es el tiempo que ellas necesitan para germinar. Luego el suelo se
vuelve a secar, su única raíz vertical crece extremadamente rápido, para detenerse
cuando desaparece la humedad, quedándose estacionaria.
Economizando cada gota de agua
Welwitschia usa diversos trucos para hacer todo lo que puede con la muy escasa
cantidad de agua y nutrientes de que dispone. Así por ejemplo, puede cerrar sus
estomas (los poros en sus hojas) para canalizar agua hacia la punta sin perderla en su
viaje por la transpiración. Puede también frenar su crecimiento en respuesta a la sequía
extrema. También la planta tiene un eficiente sistema de reciclado para elementos
esenciales, como el carbón, nitrógeno, potasio y magnesio. Recupera nutrientes del
decaimiento de la punta de las hojas para alimentar partes de la planta que están
creciendo.
Mientras la welwitschia es excepcional dentro de las plantas mayores, muchos tipos de
líquenes son también espectacularmente exitosos para enfrentar las temperaturas
extremas y las graves sequías. A pesar de que aparecen como plantas en numerosos
libros de botánica, cada tipo de liquen es una "simbiosis" (una asociación mutuamente
beneficiosa) entre un hongo y un microbio fotosintético. El último puede ser un alga o
una cianobacteria que esencialmente provee el alimento (usando dióxido de carbono y
nitrógeno del aire, más luz solar). Mientras tanto el hongo provee el marco para la
compleja estructura del liquen, protegiendo al microbio de secarse.
Otros organismos sobreviven en tiempos difíciles en una etapa de animación
suspendida. Muchas bacterias responden a condiciones amenazantes como la sequía,
produciendo "esporas" resistentes. Como las notables esporas del ántrax usadas en los
ataques bioterroristas el último año en USA, ellas se vuelven a poner en acción cuando
las condiciones les son favorables, con adecuada temperatura y humedad, como sucede
en el interior de los pulmones humanos.
Otro tipo de adaptación al stress, es la notable resistencia a la radiación de la bacteria
"Deinococcus radiodurans" que se piensa que ha evolucionado como una consecuencia
indirecta de resistir a la sequía. Esta especie puede sobrevivir radiaciones hasta mil
veces la intensidad que mataría a un hombre, y puede volver a ensamblar su DNA
fragmentado en cientos de trozos, sin un error. Del mismo modo, puede sobrevivir
repetidos procesos de secados al vacío y rehidrataciones. La necesidad de resistir el
daño del oxígeno en el estado de secado, más que la radioactividad, fue lo que
probablemente condujo la evolución de este notable mecanismo de reparación del DNA.
Como marineros náufragos en el medio del océano, criaturas que viven en el agua
pueden morir de sed como resultado de la alta concentración de sales. El agua puede
ser escasa para los microorganismos en lagos salados o salinas. Sin embargo muchas
especies de arqueas han aprendido a sobrevivir en salinas saturadas, como en el
supuesto mar muerto, que en la realidad es un hábitat complejo y muy vivo.
A pesar que los organismos pueden adaptarse impidiendo que crucen su membrana
muchos iones de sal, necesitan mantener altas concentraciones similares de sal u otras
moléculas pequeñas dentro de sus células. Si no lo consiguen, toda la célula se secaría
por "osmosis" (la tendencia de las moléculas de agua a moverse a través de una
membrana semipermeable para balancear la concentración en ambos lados). Especies
de arqueas que viven en salinas pueden mantener en su citoplasma una concentración
extremadamente alta de sal, hasta alcanzar niveles ocho veces superior a la del agua
de mar.
Dentro de las células, existe una competencia por el agua en la escala molecular.
Moléculas biológicas, como las proteínas, necesitan una envoltura de moléculas de agua
a su alrededor para impedir que se aglomeren y se deformen. En condiciones de
elevada salinidad los iones de sal pueden autocompetir en la lucha por agua. Criaturas
encontradas en el Mar Muerto y otros lagos salados, han logrado adaptar sus proteínas
para que retengan moléculas de agua que necesitan. Así por ejemplo, sus moléculas
tienen una cantidad no usual de aminoácidos cargados expuestos en sus superficies, lo
que les permite unirse a moléculas de agua con la misma eficiencia que compiten por
iones de sal.
Aparte de la sal, en el medio ambiente también varían en forma drástica la
concentración de muchas otras sustancias químicas. Las variaciones más amenazantes
son las de acidez/alcalinidad y la concentración de metales tóxicos. La mayor parte de
los sistemas biológicos trabajan entre un pH 7 neutro (agua pura) y otro
moderadamente alcalino de pH 8.2 del agua de mar. Con todo, muchos suelos
volcánicos son altamente ácidos, mientras otros ambientes pueden ser altamente
alcalinos. Pero la vida también encuentra formas de desarrollarse allí (fig. 2).
Además de los problemas de temperaturas muy altas o muy bajas, los pH extremos
pueden también resistirse en la periferia de las células. Los organismos en condiciones
acídicas o alcalinas, usan proteínas de membranas especialmente adaptadas para
mantener los valores de pH normales en sus células. Lo que es más importante,
necesitan bombas iónicas capaces de transferir iones hodroxilos e hidrógenos a través
de su membrana plasmática contra las inusuales diferencias de pH entre el lado interno
y externo.
Aparte de los iones hidrógeno e hidroxilos que gobiernan el pH, otras sustancias
químicas también pueden hacer el ambiente muy limitante para la vida. Un
sorprendente veneno ambiental al cual muchas especies se han adaptado, es el
oxígeno. Al comienzo, la vida en la Tierra era estrictamente anaeróbica, es decir, no
había oxígeno en la atmósfera. La vida no tenía necesidad de oxígeno libre. Pero la
invención del proceso de la fotosíntesis, por los ancestros de las cianobacterias,
enriqueció la atmósfera con este gas, forzando a las especies a adaptarse o
permanecer en hábitats restringidos anaeróbicos.
El mayor problema que tuvieron que experimentar los primitivos organismos
anaeróbicos fueron las reacciones que, comprometiendo al gas oxígeno, dejaban libres
"radicales oxígenos" altamente reactivos, moléculas que dejan estragos en proteínas y
DNA. Los extremófilos anaeróbicos son a menudo esos organismos que nunca se
adaptaron a vivir con oxígeno y que existen en ambientes cercanos a los de la Tierra
primitiva.
La intoxicación por metales pesados es otro desafío químico que encuentran muchos
organismos. Algunos se han adaptado tan bien a iones o grupos específicos de metales,
que pueden usarse en los procesos de extracción minera, conocidos como
"biofiltración", o para limpiar tierras contaminadas. Hay un creciente número de
procesos en los que estas magníficas criaturas, en las formas más inesperadas, pueden
servir a la humanidad.
Vida sin luz. Energía extraída de químicos
Mientras algunas sustancias químicas son fastidiosas para la vida o aun representan
una amenaza mortal, otras son indispensables. Toda forma de vida requiere de una
fuente de energía y de elementos esenciales y compuestos necesarios para construir
las células.
En las profundidades negras del fondo del océano, donde la fotosíntesis no es posible,
la vida se acumula alrededor de las surgencias calientes y los humos negros, haciendo
uso de un proceso llamado "quimosíntesis" que extrae energía de la oxidación de
sulfitos contenidos en el agua caliente. Los microbios quimiosintéticos pueden vivir en
forma libre o en forma simbiótica con animales, incluyendo los gusanos tubulares o las
almejas (ver recuadro: Cómo alimentar animales sin bocas). Ellos proveen de energía y
de compuestos biológicos para todo el sistema. El descubrimiento de la vida
quimiosintética, echó por tierra la creencia de que la vida sólo era posible por la
energía producida por la fotosíntesis, aprovechando la luz solar.
En el año 1986, se descubrieron debajo del suelo, otros ejemplos de vida sin
fotosíntesis. En las cuevas Móvil, cerca del Mar Negro en Rumania, se descubrieron
alrededor de 50 especies que habían estado aisladas por unos pocos millones de años
en una aparente ausencia de fuentes de alimentos. Allí bacterias enmarañadas digerían
piedra caliza de las paredes de la cueva y con ello se proveían de carbono, mientras la
energía la obtenían de la oxidación de sulfitos disueltos en el agua subterránea.
Otros "comedores de rocas" se encontraron en excavaciones geológicas realizadas en el
Estado de Washington. Viviendo a 1500 metros de profundidad, dentro de rocas
basálticas sólidas, había bacterias que generaban energía por la reacción de hidrógeno
con dióxido de carbono, produciendo metano y agua. Los investigadores que las
descubrieron sugirieron que ellas habían adquirido el combustible hidrogenado de
reacciones previamente desconocidas, entre roca y agua, en las cuales el hierro II de la
roca reducía el agua a hidrógeno.
Al haber encontrado vida a más de 10 kilómetros del fondo del mar, se introduce una
nueva e importante variable: la presión. Si uno se sumerge bajo el agua, la presión de
la columna de agua que hay encima aumenta aproximadamente en un bar (una
atmósfera) por cada 10 metros. Consecuentemente, la presión en el fondo de la
Mariana Trench, en el Pacífico Occidental, es de alrededor de 1100 bares. Al elevarse
sobre el nivel del mar, la presión disminuye, de modo que en la punta del Monte
Everest, a 8.848 metros de altura, la presión es de un tercio de la que se encuentra a
nivel del mar.
Podemos suponer que el incremento de miles de veces de la presión atmosférica que se
produce en el fondo del mar, requiere en el organismo de sustanciales adaptaciones
bioquímicas. Para la mayor parte de las bacterias, esa presión sería letal. El ser
humano ya tiene problemas cuando la presión es de cuatro a cinco bares. Para los
investigadores aún es incomprensible como estas criaturas se las arreglan con esa
tremenda presión. Uno de los mayores puzzles es la capacidad de muchos organismos
del fondo del mar que sobrevive a una presión de un bar, también como sobreviven a
la presión del fondo del mar.
Los humanos también tienen problemas en las alturas, ya que la baja presión limita el
suministro de oxígeno en la sangre. Si se quiere trepar a las alturas sin el suministro de
oxígeno, es necesario un proceso previo de aclimatación que dura semanas. Se sabe
que los pájaros migran sobre las altas montañas y que en un día pueden alcanzar
alturas de hasta 9 mil metros. Una de las adaptaciones que les permite a ellos hacer
esto, es que su hemoglobina tiene una mayor afinidad con el oxígeno. Para las formas
de vida microbiana, una disminución de tres veces de la presión atmosférica debería
ser menos problemática que otros factores de stress que se encuentran en las
altitudes, como son las bajas temperaturas y las intensas radiaciones ultravioleta.
Recientemente un grupo de científicos, afirmaba haber detectado signos de vida en los
límites de la atmósfera. El anuncio ha sido tomado con cierto escepticismo, pero si se
confirma a esa altura la existencia de bacterias, la próxima pregunta es: ¿Ellas vienen
de la Tierra o del espacio?.
En realidad el descubrimiento de vida en lugares inesperados en la Tierra, ha
revitalizado la búsqueda de vida extraterrestre, un campo que ahora se llama
"astrobiología". Antecedentes anteriores acerca de los límites de la vida, habían
eliminado a Venus, por ser demasiado caliente y químicamente agresivo, y a Marte por
ser demasiado frío y seco. Pero ahora los nuevos extremófilos que se han encontrado
en la Tierra, permiten sugerir que la vida puede existir en otros planetas o lunas del
sistema solar. Así por ejemplo, en Marte, evidencias crecientes señalan que en su vida
primitiva el planeta rojo podría haber sido habitable. Recientemente la nave Mars
Odissey, al orbitar descubrió un vasto campo de hielo bajo su superficie del polo sur. A
ello se agrega la muy publicitada noticia de científicos de la NASA, de haber encontrado
trazas fosilizadas de bacterias muy pequeñas ("nanobacterias") en el meteorito de
Marte ALH 84001. Aun cuando su interpretación es controversial, ha inspirado mayores
especulaciones acerca de la vida extraterrestre. ¿Podrían las bacterias originadas en
Marte haberse mantenido bajo el suelo de la forma que se descubrieron recientemente
en la Tierra hace unos pocos años?.
Las condiciones en Europa, la luna de Júpiter, podrían también conducir a la vida.
Imágenes obtenidas y mediciones magnéticas sugieren la existencia de un océano
líquido de agua salada escondido bajo la superficie de una capa de hielo de Europa.
Bacterias quimosintéticas podrían arreglárselas allí, como lo han hecho en el fondo de
los océanos de la Tierra y posiblemente también en los lagos aún no explorados que se
han descubierto bajo los hielos de la Antártida.
Astrobiólogos han estado investigando también la posibilidad que meteoritos, cometas
y polvo cósmico hayan transportado biomoléculas o aun células vivas a través del
espacio. De acuerdo a la teoría llamada "panspermia", la vida podría haberse generado
en algún lugar y desde allí haberse esparcido a otros planetas, incluso al nuestro.
Cuando se propuso esta idea en la década de 1950, muy pocos biólogos pensaban que
la vida podría sobrevivir a los rigores del espacio. Pero en la medida que se han ido
descubriendo criaturas en los lugares más inhóspitos aquí en la Tierra, parece que
cualquier cosa podría ser posible, aun la colonización desde el espacio.
Como alimentar animales sin boca
Los tubos lombrices son los más curiosos miembros que rodean las humaredas negras
del fondo del mar, que se ven como brochas de pinturas gigantes con mangos blancos
y pelos rojos. Los filamentos como pelos son las agallas que permite a los tubos
gusanos captar oxígeno y sulfito de hidrógeno del agua. Los gusanos tienen un corazón
y circulación, pero no tienen boca ni intestino y ningún otro órgano que pueda captar o
procesar alimentos. Entonces, cómo pueden estos animales sobrevivir sin alimentarse.
La respuesta está en un órgano llamado "trofosoma" o bolsa de alimento, cuyas células
están empaquetadas con bacterias. El gusano les suministra sulfito de hidrógeno y a su
vez los microbios oxidan el sulfito de hidrógeno y usan la energía que esto libera para
producir nutrientes orgánicos que alimentan al gusano.
Los gusanos se han encontrado en la mayor parte de las surgencias hidrotérmicas, lo
que plantea una serie de preguntas de cómo se han esparcido en cientos de millas a
través de un inhóspito fondo de mar. Un estudio sugiere que sus larvas viajan a lo
largo de las crestas oceánicas, que las van conduciendo a otras regiones volcánicas
activas.
Cocktails del fondo del mar
Olvídese de todo lo que haya aprendido de charcos de aguas tibias o "sopas orgánicas"
que hace cuatro mil millones de años hayan incubado las primeras formas de vida. De
acuerdo a la creencia actual, las primeras comunidades de organismos se habrían
desarrollado en las surgencias hidrotérmicas. John Corliss propuso en el año 1981 que
las expulsiones de agua caliente contenían el agitado cocktail mineral que permitió el
desarrollo de la vida. En particular, el argumento que en la ausencia de luz, los sulfitos
y el calor proveyeron de una amplia fuente de energía.
En la década de 1950, Stanley Miller, logró producir uno de los primeros bloques de la
vida, cuando simuló la primitiva atmósfera de la Tierra, enviando chispazos a través de
una mezcla de amonio, agua, hidrógeno y metano. Pero de lo que Miller no se dio
cuenta es que el amonio y el metano en la atmósfera se habrían rápidamente
degradado a dióxido de carbono relativamente inerte y nitrógeno. Con poco amonio y
metano no había posibilidad de preparar la sopa de químicos orgánicos. En cambio, en
las surgencias profundas del mar había un suministro constante de los ingredientes de
la vida.
Otro problema con la hipótesis de la sopa orgánica es que durante la juventud de la
Tierra, los impactos de los asteroides evaporaron regularmente la mayor parte de los
océanos y esterilizaron la superficie del planeta. Mientras tanto, en el piso del océano,
las primeras manifestaciones de vida estaban protegidas.
Y comparando las moléculas de las que los ribosomas (las fábricas de proteínas
celulares) están formados, los biólogos han concluido que las bacterias amantes del
calor y las arqueas son las formas más antiguas de criaturas de la Tierra. Todo parece
indicar que los más antiguos ancestros celulares también gustaban del calor.
Artículo extraído de CRECES EDUCACIÓN - www.creces.cl