Los orígenes de la vida y su evolución. Y en la actualidad el microbioma marino, analogías.

Dan inicio a la misión de catalogar el microbioma oceánico.

Entre 10 mil y 100 mil millones de organismos vivos habitan cada litro de agua de mar.

Pero este “microbioma oceánico”, que ha hecho al planeta habitable, sigue siendo ampliamente desconocido y una misión científica, realizada con la Marina francesa, pretende catalogarlo.

Macrocultivos de algas marinas en la estación biológica de Roscoff, en el oeste de Francia. Foto Afp

Asegura Colomban de Vargas, el científico que actualmente es el director de investigación del, en francés, "Centre National de la Recherche Scientifique" (CNRS) o "Centro Nacional para la Investigación Científica", que es la institución de investigación más importante en Francia, y que se encuentra destacado en este momento en la "Estación Biológica de Roscoff":

“El microbioma del planeta Tierra es el tema del siglo”.

La "Estación Biológica de Roscoff" es un centro de investigación y enseñanza en biología marina y oceanografía, situada en la costa septentrional de Bretaña, que forma parte de la Universidad Pierre-et-Marie-Curie, del "Institut National des Sciences de l'univers" y, por supuesto, del (CNRS).

Este especialista está “obsesionado con la exploración”, se dedicó a cartografiar el "plancton oceánico", esta es una gran “sopa de microbios”, se encuentra compuesta por: virus, bacterias, protistas, animales, etcétera. Veámoslo así, dijo el doctor de Vargas: Estos “bosques invisibles”, navegando a merced de las corrientes marinas, hicieron el planeta habitable, produciendo la mayor parte del oxígeno que respiramos. La biodiversidad es ante todo microbiana. Durante tres mil millones de años, no hubo más que microbios”, y en la actualidad no se sabe con qué microbios vivimos ni cuántos hay en la Tierra”.

Colomban de Vargas y sus colegas quieren determinar una “medida cooperativa, frugal, planetaria y perenne” de esta vida invisible del océano, para lo cual se han valido de las lecciones de la misión "Tara Océanos", que ya realizó 220 mediciones de microorganismos marinos.

Imagenes de algas de agua dulce, parte del fitoplancton.

Kirchneriella obesa. Tomada de Protist.i.hosel.ac.jp.

Scenedesmus quadricauda. Tomada de Protist.i.hosel.ac.jp.

Chlorococcum infusorium. Tomada de Protist.i.hosel.ac.jp.

Para el "Proyecto Tara Oceans", recordemos, se conformó un equipo internacional e interdisciplinario de investigadores, con participación del ya mencionado (CSIC), que obtuvo  más de treinta y cinco mil muestras recogidas en los océanos de todo el mundo entre los años 2009 y 2013 a bordo del velero "Tara Oceans", lo que generó la elaboracinón de un mapa de biodiversidad de virus, bacterias, arqueas y protistas; para lo cual se exploraron sus interacciones y el impacto de su entorno, especialmente el de la temperatura. Los resultados de este estudio, fueron publicados a partir del año 2015, contiene los datos de los microorganismos que se encuentran desde la superficie del océano hasta una profundidad de novecientos metros, y fue complementado, para profundidades mayores, hasta los cuatro mil metros, por las muestras tomadas por la expedición "Malaspina, también liderada por el CSIC, en el año 2010, al rendir homenaje en el 200 aniversario de la muerte de Alessandro Malaspina (1754 - 1810), quien dirigió la primera expedición científica española de circunnavegación, con el concurso del "Buque Oceanográfico Hespérides".

Imagenes de algas de agua salobre, parte del fitoplancton.

Tetraedron minimun. Apenas mas larga que una bacteria, es un ser de forma cuadrada, posee cuatro esquinas redondeadas rematadas en una casi invisible espina, adicionalmente su membrana es lisa y se hunde en cada uno de los lados del cuadrado que forma su cuerpo verde. Esta pequeña alga, casi invisible, suele formar pequeñas constelaciones de estrellas cuadradas. La de hoy, solitaria, parece ir de avanzadilla explorando el universo de esta gota de agua. Tomada de Protist.i.hosel.ac. jp.

"Dunaliella viridis", aparece en aguas hipersalinas  con temperaturas mayores a los treinta grados, ya que presenta una tolerancia a la salinidad, mayor del 20%. En el laboratorio la salinidad óptima para el crecimiento está entre 5,8%-8,9%,  y también tolera un rango amplio de "pH", que normalmente es muy alcalino (mayor de 8). También contienen una alta concentración de magnesio y sulfato. Puede aparecer en lo más profundo de la columna de agua y en la superficie de los sedimentos pero se ha visto que pueden migrar verticalmente por toda la columna de agua. Este patrón de migración se debe en parte a la respuesta fotosintética del alga a la intensidad de luz. La irradancia en el hábitat de Dunaliella viridis puede ser particularmente alta debida a la presencia de cristales de sal que provoca que la luz se disperse y aumente la irradiancia sobre las células. Tomada de Protist.i.hosel.ac. jp.

Chlamydomonas reinhardtii, es un alga unicelular de 10 micrómetros de diámetro que nada con dos flagelos, contiene un "cloroplasto" en forma de copa, que ocupa el 40% del volumen de toda la célula. Se usa como organismo modelo en biología molecular, especialmente en estudios de movilidad flagelar, dinámica de los cloroplastos, biogénesis y genética. Tomada de Protist.i.hosel.ac. jp.

Estos proyectos de investigación son importantes puesto que el 70% de la superficie de la Tierra está formado por mares y océanos y en ellos habitan la mayor parte de formas de vida del planeta, los organismos microscópicos del plancton marino. Estos organismos, principalmente microscópicos, que flotan en aguas saladas o dulces, más abundantes hasta los doscientos  metros de profundidad, aproximadamente, y que son los encargados de producir alrededor de la mitad, del oxígeno, además de que actúan como sumideros del "dióxido de carbono" (CO2), influyen en el clima y forman la base de la cadena trófica.

La descripción de la diversidad microbiana a escala global se ha conseguido mediante la secuenciación masiva de los dos tipos de ácidos nucleicos (ADN) y (ARN) de estos organismos. En este "Proyecto Tara Oceans se han secuenciado más de 7.2 trillones de pares de bases de ADN de las comunidades microbianas marinas, generándose una base de datos de algo así como cuarenta millones de genes llamada "Ocean Microbial Reference Gene Catalog".

Y regresando a lo actual, tenemos que a través del "Proyecto Plankton Planet", se busca confiar, a largo plazo, instrumentos de medida y sensores económicamente accesibles a las decenas de miles de veleros, barcos de comercio o de transporte de mercancías que surcan el planeta. Reforzando el objetivo de comprender, la adaptación de lo vivo frente a los cambios  impuestos por las actividades humanas.

Y en este punto subraya Colomban de Vargas: “Pero no es evidente porque es necesario que la medida sea homogénenea”.

Por su parte, la "Misión Bougainville", que se lleva a cabo en cooperación con la Marina francesa, se fijo como objetivo, el de consolidar la fiabilidad de los “sensores” del plancton marino. Para lo cual se han elegido a diez estudiantes de maestría  en la Unversidad Sorbona de París, quienes se embarcarán en naves de la marina como “Oficiales de Biodiversidad”.

La intención es que los estudiantes recorran los once millones de kilómetros cuadrados de la Francia oceánica, situadas en los océanos Índico y el Pacífico, a bordo de barcos de apoyo y asistencia en ultramar. Para lo cual se ha dispuesto que después de realizar pruebas en la costa de Brest, los primeros estudiantes embarcarán en septiembre del año 2023, y recogerán miles de datos biológicos, a lo largo de dos años, es decir hasta 2025.

Pormenorizó el doctor Colomban de Vargas: "Esto es un trabajo para beneficiar a la comunidad científica internacional, razón por la cual los datos recogidos, que serán cientos de miles de millones de imágenes de plancton y secuencias de (ADN), se almacenarán en bases de datos abiertas a los investigadores de todo el mundo. Permitirán controlar la salud de los ecosistemas marinos y su evolución en función de las contaminaciones o del calentamiento global. Existen cientos de investigaciones con diversos tipos de microorganismos componentes del plancton marino, que se utilizan para descontaminar las aguas residuales en el entorno natural, que son propiciados por las actividades comerciales e industriales de los humanos."

Adicionalmente, los investigadores desean estudiar la migración del plancton animal a varios centenares de metros de profundidad durante la noche, la cual, está calificada como “el mayor movimiento de biomasa” en el planeta, y que se busca se convierta en uno de los motores de la “bomba de carbono” que participa en la captura de dióxido de carbono (CO2) en el océano.

El costo de la misión, que deberá ser financiada por mecenas, se estima en unos 950 mil dólares para los tres primeros años.

El plancton, palabra que se deriva del griego y que significa "lo que va errante", es una masa de seres vivos que se compone de un conjunto de organismos, mayoritariamente microscópicos, que flotan en las aguas dulces y saladas de la hidrosfera, estando a merced de las corrientes debido a su inexistente o muy limitada capacidad natatoria.

Buena parte de su existencia se desarrolla en profundidades intermedias, hasta los 600 metros, aunque, se ha comprobado que algunas especies pueden llegar a vivir en las fosas oceánicas. 

La cantidad de seres vivos que existe es enorme, casi se escapa a la imaginación, y la variedad de los seres que le componen, a efecto de su estudio se subdivide en:

fitoplancton, que el conjunto de seres de carácter vegetal y 

zooplancton, que es el plancton compuesto por organismos de característica animal.

Imagen que muestra algunas de las algas diatomeas. Tomada de Ecured. cu.

El primer grupo está integrado en un elevado porcentaje por cianobacterias y "algas unicelulares", primordialmente diatomeas y dinoflagelados, que son las más abundantes, ellas producen su propio alimento a través de la fotosíntesis. Por ello se les conoce como organismos autótrofos ,  de donde se concluye que necesitan, por tanto, de la luz solar y de la existencia de minerales en suspensión y es por este motivo se suelen encontrar en las capas superficiales de los océanos, seguramente se les encuentra en los primeros cincuenta metros de profundidad. Además de servir de alimento para el zooplancton, el fitoplancton es responsable de la producción de más de la mitad del oxígeno del planeta. La radiación ultravioleta que llega a través del agujero en la capa de ozono representa una de las grandes amenazas para estos organismos, como se ha podido comprobar en zonas antárticas, donde las poblaciones de fitoplancton se han reducido un diez por ciento.

Imagen que muestra algunos de lo protistas dinoflagelados. Tomada de Researchgate. net.

El segundo grupo, es la amplia comunidad de plancton animal o zooplancton, la que habita en toda la columna de agua oceánica, aunque es más numerosa en las zonas menos profundas ya que es donde se encuentra la materia orgánica elaborada de la que se alimenta.

Dentro de esta amalgama de seres que componen diferentes protozoos, diminutos crustáceos, moluscos y gusanos, así como larvas de peces, se puede distinguir entre holoplancton y meroplancton.

En el primer grupo se encuentran aquellos organismos que conforman el plancton durante toda su existencia, y en el segundo, los que sólo son plancton durante la etapa inicial o larvaria de su existencia.

Es importante insistir en que el zooplancton engloba a un amplio grupo de organismos que incluye: bacterias, crustáceos, cnidarios, radiolarios, foraminíferos, gusanos poliquetos, rotíferos e incluso larvas de peces. La alimentación de la Artemia salina incluye a las algas microscópicas, que pueden ser, de agua dulce, Kirchneriella obesa, Scenedesmus quadricauda y Chlorococcum infusorium o de de agua salobre, como son:  Chlamydomonas reinhardtii, Tetraedron minimun y Dunaliella viridis.

Muchas de las especies son transparentes, por lo que es difícil detectarlas dentro del agua, y algunas son bioluminiscentes, es decir que tienen la capacidad para brillar en las profundidades, ello les permite ahuyentar a los depredadores y también sirve como llamada para reproducirse. Aunque la mayoría de los animales que componen las comunidades de zooplancton tienen la movilidad reducida y fluctúan pasivamente en el mar, existen excepciones, pues hay especies que sí poseen la capacidad de migrar verticalmente para buscar alimento en la superficie por las noches y volver a la penumbra cuando sale el sol para protegerse de los depredadores.

Fotografía de Artemia salina, que es un crustáceo de importancia en la cadena alimenticia, del zooplancton. Tomada de Bioartemia. com.

El plancton constituye la base de la pirámide trófica del ecosistema marino. Gracias a la energía solar el fitoplancton genera materia orgánica convirtiéndose en el productor primario de la cadena alimentaria. El siguiente eslabón es el zooplancton (consumidor primario), que se alimenta del fitoplancton, y a partir de ahí le siguen los peces pequeños, las aves marinas, los peces mayores, las focas y los grandes depredadores del mar, como las orcas. En cada nivel de la pirámide, los animales crecen en tamaño pero disminuyen en número. Existen casos especiales, como el de las grandes ballenas oceánicas, que se alimentan directamente de zooplancton, filtrándolo con sus barbas. El ciclo se cierra cuando los consumidores devuelven la materia a través de sustancias de desecho o al descomponerse, al morir.

Ilustración artística de la sopa primigenia, la evolución química. Tomada de sites. google. com.

La sopa primigenia

Las rodopsinas son sistemas simples captadores de luz que, a diferencia de los fotosistemas de clorofila, no requieren de hierro para su síntesis ni para que las comunidades microbianas que las contienen realicen sus funciones fototróficas.

Reconstruyeron cómo era la vida de los primeros organismos de la Tierra. Sus hallazgos se detallan en un artículo publicado en la revista Molecular Biology and Evolution.

Edward Schwieterman, astrobiólogo de la Universidad de California Riverside, coautor del estudio que realizó utilizando el aprendizaje automático, ya que, con su equipo de investigación analizó secuencias de proteínas de rodopsina de todo el mundo y rastreó cómo evolucionaron con el tiempo. Luego, crearon un tipo de árbol genealógico que les permitió reconstruir las rodopsinas de hace dos mil quinientos a cuatro mil millones de años y las condiciones a las que probablemente se enfrentaron. Con el uso de proteínas que captan la luz en microbios vivos, científicos reconstruyeron cómo era la vida para algunos de los primeros organismos de la Tierra.

Señaló en un comunicado el astrobiólogo: “En la Tierra primitiva, la energía puede haber sido muy escasa. Las bacterias y las arqueas descubrieron cómo usar la abundante energía del Sol sin las complejas biomoléculas requeridas para la fotosíntesis”.

Ilustración de la atmósfera primitiva. Tomada de Lavidaes. org.

Los primeros seres vivos, incluidas las bacterias y los organismos unicelulares llamados arqueas, habitaban un planeta principalmente oceánico sin una capa de ozono que los protegiera de la radiación solar. Estos microbios desarrollaron rodopsinas, proteínas con la capacidad de convertir la luz solar en energía, usándolas para impulsar los procesos celulares.

Las rodopsinas están relacionadas con bastones y conos en los ojos humanos que nos permiten distinguir entre la luz y la oscuridad y ver los colores. También están ampliamente distribuidos entre los organismos y ambientes modernos como los estanques salados, que presentan un arcoíris de colores vibrantes.

Amplió la exposición, agregando detalles, la astrobióloga Betul Kacar, líder del estudio, adscrita actualmente a la Universidad de Wisconsin-Madison: “La vida tal como la conocemos es tanto una expresión de las condiciones de nuestro planeta como lo es de la vida misma. Resucitamos secuencias antiguas de ADN de una molécula, y nos permitió vincularnos con la biología y el medio ambiente del pasado”.

“Es como tomar el ADN de muchos nietos para reproducir el ADN de sus abuelos. Sólo que no son los abuelos, sino cosas diminutas que vivieron hace miles de millones de años, en el mundo”, afirmó, con un poco de buen humor Schwieterman.

Las rodopsinas modernas absorben la luz: azul, verde, amarilla y naranja, y pueden aparecer rosadas, moradas o rojas en virtud de la luz que no absorben o de los pigmentos complementarios. Sin embargo, según las reconstrucciones del equipo, las antiguas rodopsinas se ajustaron para absorber principalmente luz azul y verde.

Ilustración de una molécula de rodopsina. Tomada de Researchgate. net.

Dado que, nuestro planeta en los primeros tiempos, no tenía el beneficio de una capa de ozono, el equipo de investigación teoriza que microbios de miles de millones de años vivían a muchos metros de profundidad en la columna de agua para protegerse de la intensa radiación de rayos ultravioleta de onda media (UVB) en la superficie.

Es necesario considerar que: los rayos ultravioleta (UV), y se agrega la tercera letra, a la clasificación de los rayos. Así entonces, los rayos (UVA) son un subtipo, que se caracterizan por tener una longitud de onda larga (400-320 nm). A los de onda media se los denomina (UVB) y a los de onda corta (UVC).

Según los autores del nuevo estudio: "Estos esfuerzos podrían ayudarnos a reconocer signos de vida en otros planetas, cuyas atmósferas pueden parecerse más a nuestro planeta anterior al oxígeno".

Hace aproximadamente 4 mil 500 millones de años la Tierra era un planeta geológicamente muy activo. Tantas emanaciones volcánicas formaron la atmósfera primitiva, que en su mayoría estaba compuesta por vapor de agua, dióxido de carbono, azufre y el nitrógeno. Era reductora, es decir carecía de oxigeno libre; atmósfera secundaria se formó al añadirse pau- latinamente gases procedentes del manto y los aportados en los impactos estocásticos de planetesimales rocosos, vaporizados en la colisión, concretamente en los Grandes Bombardeos Temprano y Tardío. Estos gases pudieron ser agua (H2O), monóxido de carbono (CO), bióxido de carbono (CO2) e hidrógeno diatómico (H2). A medida que las plumas de impacto se enfriaron, se pudieron haber formado moléculas mayores como cianuro de hitrógeno (HCN), amoniaco (NH3) y metano (CH4).  Los rayos (UV) pasaban , pues no existia el ozono; atmósfera actual: que está compuesta principalmente por dos gases: Nitrógeno (N2) y Oxígeno (O2).

La atmósfera sin oxígeno. Tomada de Lavidaes. org.

Una de las explicaciones, actualmente, más aceptadas, responsabiliza de aquel vuelco atmosférico a las cianobacterias, unos microbios que comenzaron a utilizar la energía del sol para producir carbohidratos y oxígeno a partir del agua y el dióxido de carbono. Con un residuo que para ellas era un desecho inservible: oxigeno.

Es muy importante recalcar que las evoluciones de la litosfera y la hidrosfera están íntimamente ligados a la evolución de la atmósfera terrestre, debido al intercambio de materiales que se produce entre ellos a través de los denominados ciclos geoquímicos. Así, el conocimiento de la atmósfera primitiva de la Tierra y su evolución depende y emana del estudio de la litosfera y la hidrosfera de nuestro planeta.

Tabla 2. Fases de la atmósfera terrestre frente a las eras geológicas

   

De Anales de Química, Investigación Química, La composición química de la atmósfera primitiva del planeta Tierra, autores: Jorge Pla-García y César Menor-Salván. Real Sociedad Española de Química 2017. www. rsec. org.

Entonces queda claro que aún no hay una conclusión final, queda lugar a la duda y por tanto seguirán las investigaciones, pero, ya no se cree en la generación espontánea.

La Machincuepa Cuántica seguirá, como en otros temas atenta para ayudar a difundir las novedades.