Universo en Expansión #155 Exolunas

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En este capítulo el doctor en Astrofísica y científico planetario Pablo Cuartas, el astrobiólogo Andrés Ruiz y la comunicadora social Paulina Londoño hablarán sobre las exolunas.

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LA AGRICULTURA DEL CONOCIMIENTO

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Diógenes Infante Herrera

21/9/2017

Ilustración de Ada Peña

Ilustración de Ada Peña

La Biotecnología Aplicada a la Producción Agrícola

A la memoria de Elizabeth Gámez Bolívar

 

Y conoció Adán a su esposa Eva, la cual concibió y dio a luz a Caín, y dijo: He adquirido varón por voluntad de Jehová. Y después dio a luz a su hermano Abel. Y fue Abel pastor de ovejas. Y Caín fue labrador de la tierra.

Génesis, Capítulo 4

 

Los Orígenes

Los inventos más importantes en toda la historia de la humanidad fueron la utilización del fuego y la agricultura.

La utilización del fuego permitió a nuestros antepasados cocer los alimentos, con lo que la capacidad de asimilar la comida aumentó enormemente.  De esta forma nuestros ancestros fueron más eficientes en el aprovechamiento de lo que consumían y pudieron dedicar parte del tiempo a otras acciones, como desarrollar otras herramientas, vestimentas y actividades culturales. Hay que destacar que el cambio en el patrón de alimentación fue fundamental para que unos monos que vivían en árboles y se alimentaban de frutas fueran desarrollando un cerebro mucho más grande y poderoso, que los fue dotando de muchas habilidades. Nuestro cerebro consume 25% de la energía utilizada por nuestro cuerpo.

La invención de la agricultura permitió obtener nuestra alimentación de una manera segura y abundante, así nuestros antepasados ya no tenían que dedicarse a la caza y a la recolección de manera sistemática.  Este cambio permitió el establecimiento de asentamientos permanentes y la división del trabajo, con lo cual empezamos a tener civilización tal como la conocemos.

El fuego nos hizo humanos y la agricultura nos civilizó.

Una reacción química que está al comienzo de todo

El agua y el dióxido de carbono  ( CO2 )  no reaccionan de manera natural, esa reacción química tiene una barrera energética que impide su realización.  La prueba es una botella de agua gasificada; la podemos dejar todo el tiempo que queramos y el agua y el CO2 nunca van a reaccionar.  Sin embargo, unos bichitos aprendieron hace muchísimos años a utilizar la energía del sol para realizar esa reacción química, otrora imposible:

La fotosíntesis utiliza la energía solar para producir azúcar y oxígeno a partir de agua y dióxido de carbono.

La fotosíntesis utiliza la energía solar para producir azúcar y oxígeno a partir de agua y dióxido de carbono.

Es decir, la fotosíntesis utiliza la energía solar para producir azúcar a partir del agua y del dióxido de carbono, además genera el oxígeno que respiramos.  Todo lo demás viene después.  Por ejemplo, el petróleo es la fotosíntesis de hace millones de años, convertida en hidrocarburos, compuestos de carbono de largas cadenas, donde queda almacenada esa energía.

No todas las plantas tienen el mismo tipo de fotosíntesis, existen básicamente tres tipos según el intermediario en el que se fija el CO2: la C3, la C4 y la CAM.  En la fotosíntesis C3 se fija mediante un intermediario de 3 carbonos, en la C4 son 4 carbonos y en las CAM la absorción del CO2 se realiza de noche y la fotosíntesis de día. Hay más diferencias entre estos tipos de fotosíntesis, pero no vienen al caso. La fotosíntesis C4 es un 33% más eficiente que la C3 y es mucho más eficiente que la CAM. La CAM es fundamentalmente una adaptación de las plantas que viven en ambientes extremos, como los desiertos, ya que permite ahorrar agua. Son plantas CAM los cactus, los agaves y Furcraea.  Una planta C4 es el maíz, que tiene una altísima productividad por hectárea comparada con plantas C3 como el arroz y el trigo. Investigaciones actuales están buscando introducir la fotosíntesis C4 en el arroz, que daría como resultado una mayor productividad de este cereal, ya que aprovecharía mejor la luz solar.  Los retos son grandes para esto.

 

De Caín y Abel al Siglo XXI

Durante buena parte de nuestra historia hubo una mayor proporción de seres humanos que vivía en el campo que la gente que vivía en las ciudades; los del campo son en general dedicados a la agricultura y a la ganadería.  Sin embargo, hace unos pocos años esta relación cambió y hoy en día hay más gente que vive en las ciudades que gente que vive en el campo a nivel mundial. Esto quiere decir que la proporción de seres humanos que produce la comida es menor que la proporción de seres humanos que consume alimentos. Esto tiene varias consecuencias, una de las cuales es que necesitamos ser mucho más eficientes en la producción de alimentos para poder compensar con este desbalance. También está el hecho de que la superficie destinada a la agricultura es finita, mientras que la población crece exponencialmente.

Por otra parte, desde el comienzo de la agricultura esta ha tenido un enorme impacto en el ambiente, ya que ha implicado la deforestación de las selvas y bosques, la erosión de los suelos, la substitución de la diversidad biológica por monocultivos, lo cual tiene grandes impactos en todos los ecosistemas del planeta.

Durante el siglo pasado la agricultura estuvo basada en el uso intensivo de productos agroquímicos que aumentaron el rendimiento de esta actividad de una manera exponencial, pero con consecuencias nocivas al ambiente y la salud humana.

Por lo tanto, es necesario aminorar impacto negativo de la agricultura, lo que hace necesario cambios importantes y profundos en la manera como se elabora nuestra comida. Esto implica la utilización de nuevas tecnologías para producir más y de modo más eficiente. Es decir, se requiere implementar nuevas formas de cultivar las plantas para la agricultura.

El nuevo concepto es el de considerar la agricultura como un ecosistema que es manejado por el hombre, tomando en cuenta todos sus componentes, comenzando por el suelo, los otros componentes son plantas que tienen un mejor desempeño y microorganismos que al interactuar con los cultivos les aportan beneficios y actúan como mecanismos de defensa contra el ataque de patógenos.  

Para las plantas existen tres factores que son preponderantes: la genética, el clima y las condiciones de siembra. Controlar estas tres características en un ambiente que puede ser cerrado, donde las condiciones de cultivo, iluminación, alimentación y ambiente son monitoreadas constantemente, hace surgir un nuevo concepto, la biofábrica.  Una biofábrica puede servir para producir las plantas que luego son utilizadas para las plantaciones agrícolas o para elaborar directamente los productos que van al consumidor.  La biofábrica puede estar ubicada incluso dentro de la ciudad y ser manejada por robots.

Lo que no es igual no es trampa

Muchas de las plantas que utilizamos para nuestra alimentación, o para productos industriales, se propagan de manera asexual, agámica, utilizando estacas, estolones o hijuelos (rizomas).  Este sistema reproductivo fue considerado durante muchos años que producía clones, es decir plantas que eran genéticamente idénticas a la planta madre.  Esta característica se asumió justificando que la reproducción sexual genera diversidad y la asexual no. Sin embargo, esto nunca fue demostrado, se estableció, y todavía se tiene, como una verdad absoluta. Hasta que llegó la biología molecular a estudiar el asunto.

Existen una multitud de huellas genéticas en el ADN que funcionan como huellas dactilares, pero a nivel molecular. Estas huellas o marcadores moleculares generan mucha información. Uno de estos marcadores son los AFLP, por Amplification Fragment Length Polimorphism, o polimorfismo del largo de los fragmentos amplificados. Estos marcadores, muy populares hace algunos años, generan una gran cantidad de bandas de ADN que forman un patrón, bandas que eventualmente se pueden correlacionar con alguna característica. Sin embargo, en una utilización básica, nos permiten realizar estudios de diversidad genética, es decir comparando los patrones de bandas podemos saber cuán parecidos, o emparentados, son dos organismos. Mientras más relacionados, más bandas comunes deben tener. Por lo tanto, si la reproducción asexual genera clones, estos tienen que tener los patrones de bandas de AFLP idénticos.

El Henequén

El henequén (Agave fourcroydes) es un agave que se siembra por su fibra en México y Cuba, es una planta pentaploide, es decir con 5 juegos de cromosomas, que produce flores y semillas que no son viables, producto de ese número impar de cromosomas.  Es por eso que el henequén en las plantaciones se propaga fundamentalmente mediante rizomas o hijuelos, tallos subterráneos de los cuales emerge una nueva planta, asociada a la planta madre.

Cuando hicimos un estudio de diversidad genética en el henequén, utilizando los marcadores AFLP, nos encontramos con la gran sorpresa de que al comparar los patrones de plantas madres y plantas hijas derivadas de rizomas, los patrones eran distintos, cuando debían ser iguales. Mi primera impresión fue que algo había debido andar mal, ya que la teoría decía que los patrones tenían que ser iguales.  Sin embargo, repetí el experimento teniendo cuidado en todos los pasos y utilicé como control desarrollar varias veces los marcadores con la misma muestra, con lo cual descartaba que fuera un artefacto producto del mal uso de la técnica. Pudimos entonces comprobar que los patrones de AFLP eran diferentes entre plantas madres y plantas hijas, sin embargo, eran idénticos en el caso de la misma muestra.  Esto nos permitió demostrar que se introduce diversidad genética durante la reproducción asexual.

Este descubrimiento nos permitió realizar un proceso de selección entre plantas de una población propagada clonalmente, donde demostramos que las plantas hijas conservaban las características superiores de las plantas madres, además de patrones de AFLP similares y finalmente pudimos desarrollar un proceso de mejoramiento genético para plantas propagadas asexualmente.

A.-Patrones de AFLP desarrollados a partir de 5 muestras de ADN de la misma planta. Cada grupo de bandas corresponde a una combinación específica de AFLP. Son 4 combinaciones en total.

A.-Patrones de AFLP desarrollados a partir de 5 muestras de ADN de la misma planta. Cada grupo de bandas corresponde a una combinación específica de AFLP. Son 4 combinaciones en total.

B.-Patrones de AFLP desarrollados a partir de ADN de la planta madre (M) y 5 hijuelos de rizomas (R1, R2, R3, R4, R5). Los patrones de AFLP se conservan en las muestras de la misma planta y son diferentes comparando la planta madre y las plantas hijas, demostrando la introducción de variabilidad genética durante la reproducción asexual.

B.-Patrones de AFLP desarrollados a partir de ADN de la planta madre (M) y 5 hijuelos de rizomas (R1, R2, R3, R4, R5). Los patrones de AFLP se conservan en las muestras de la misma planta y son diferentes comparando la planta madre y las plantas hijas, demostrando la introducción de variabilidad genética durante la reproducción asexual.

Propagación in vitro

Las plantas que presentan reproducción sexual normalmente se propagan por semillas, sin embargo, las de reproducción asexual se propagan por otros medios, estacas, estolones, rizomas. Para estas últimas existen distintas metodologías para la propagación masiva in vitro, es decir en el laboratorio. Hay dos técnicas fundamentales: 1.- la organogénesis, en la cual un meristemo sirve para generar nuevas plantas mediante un proceso esencialmente artesanal, utilizando un medio definido y 2.- la embriogénesis somática, un proceso en el cual un tejido vegetal es primero convertido en un callo, que son un grupo de células indiferenciadas, que luego son llevados a desarrollar embriones, que debido a su origen a partir de una célula somática, se denominan embriones somáticos, los cuales se desarrollan originando plantas. Este ambos procesos son automatizable.

Las plantas propagadas mediante embriogénesis somática presentan muchas ventajas:

  1. Mayor Productividad: Las plantas propagadas in vitro tienen un mejor desempeño en el campo, ya que crecen más rápido y de tamaño más homogéneo, lo cual les da ventajas a la hora de cosechar. Además, requieren un menor uso de fertilizantes.

  2. Condiciones sanitarias mejoradas: Las vitroplantas están libres de virus, hongos y bacterias, lo que implica un menor uso de pesticidas en las plantaciones. Menos pesticidas y menos fertilizantes bajan los costos y mejoran las condiciones ecológicas.

  3. Suministro constante de plantas: El uso de vitroplantas hace posible obtener de manera rápida y en toda época del año grandes cantidades de plántulas. Esta disponibilidad facilita el manejo de la plantación.

  4. Pero lo más importante es que tienen una mayor productividad.

 

La Yuca (Manihot esculenta, Crantz)

Según la FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación), la yuca es un cultivo de primera importancia para la alimentación mundial dada su alta productividad, con la ventaja de crecer y producir en suelos pobres. La yuca es un arbusto originario de la selva tropical suramericana, que desarrolló la capacidad de acumular almidón en sus raíces, almacenando energía en un entorno altamente competitivo. Los suelos de las selvas tropicales son extremadamente pobres muy a pesar de lo exuberante de la vegetación, ya que la selva es un sistema que se mantiene a sí mismo, basado en unas condiciones ambientales constantes de temperatura y humedad, con alta radiación solar y sistemas altamente eficiente de reciclado de nutrientes.

La yuca se propaga asexualmente mediante estacas, que normalmente se producen utilizando el tallo al cosechar las raíces. Esto implica que se recicla el material vegetal, con lo cual se reciclan también virus y bacterias que pudieran estar presentes, además del hecho de que dicho material está envejecido, ya que puede ser sembrado y resembrado por muchísimas generaciones.

La consecuencia es que no se llega a los muy altos niveles de producción de que es capaz, a pesar de que actualmente la yuca es el cultivo que puede producir más almidón por hectárea. Según la FAO, los rendimientos mundiales de la yuca están en el orden de 8-13 Tm/Ha, tal como podemos observar en la Figura 2. En el caso de Venezuela los rendimientos están en 12.200 Kg/ha y en Ecuador entre 4 y 5.000 Kg/Ha.

Con el fin de masificar la producción de yuca, trabajamos en el desarrollo de un proceso de embriogénesis somática para la propagación in vitro de la yuca.

En la siguiente figura se describe gráficamente el proceso de embriogénesis somática en yuca, tomado del trabajo que realicé con Elizabeth Gámez y Mayra Osorio.

 

Diferentes etapas en el desarrollo de plantas de yuca mediante embriogénesis somática.  (A) Callo embriogénico friable (B) Embriones somáticos. (C) Embriones germinados. (D) Aclimatación en turba. (E) Plantas de siete meses en potes. (F) Plantas de 11 meses en el campo.

Diferentes etapas en el desarrollo de plantas de yuca mediante embriogénesis somática.  (A) Callo embriogénico friable (B) Embriones somáticos. (C) Embriones germinados. (D) Aclimatación en turba. (E) Plantas de siete meses en potes. (F) Plantas de 11 meses en el campo.

Una vez cosechadas las plantas micropropagadas los rendimientos obtenidos se presentan en la siguiente gráfica

 

Rendimiento por hectárea de la yuca micropropagada en la primera prueba de campo. El rendimiento promedio de la yuca en Venezuela es de 12.200 Kg/Ha

Rendimiento por hectárea de la yuca micropropagada en la primera prueba de campo. El rendimiento promedio de la yuca en Venezuela es de 12.200 Kg/Ha

 

Podemos observar que en el caso de clon 56F obtuvimos un rendimiento de 57.600 Kg/Ha que al compararlo con el rendimiento promedio en Venezuela de 12.2000 Kg/Ha nos da un incremento del 473,8%, casi 5 veces de aumento en la productividad.  Si comparamos con Ecuador, el resultado nos da 14 veces de incremento. Los cálculos económicos del cultivo de este clon nos indicaron que una hectárea generaba un ingreso mensual de 3 salarios mínimos, una herramienta para combatir la miseria.

Aplicaciones de la yuca

La yuca es una fuente abundante y barata de almidón y el almidón tiene muchas aplicaciones, como lubricante en la industria petrolera y del hierro, como fuente de biocombustibles y mezclando las raíces con la parte aérea, rica en proteína, se puede utilizar en la alimentación animal y humana.

Por ejemplo, los pastos actuales de los llanos venezolanos no permiten una ganadería intensiva, el problema comienza con los suelos que son muy pobres y no permiten que crezca mucha vegetación, esto trae como consecuencia que se puede criar una res por hectárea.  Sin embargo, utilizando yuca como forraje, que crece muy bien en esos suelos, se podría llegar hasta 65 reses por hectárea.

La Granja Urbana: Producir comida en la ciudad

El nuevo concepto de la agricultura del Siglo XXI es la granja urbana, utilizar espacios en las ciudades para la producción de alimentos, utilizando electricidad, agua potable y condiciones ambientales controladas.

Bajo esas condiciones es posible desarrollar anaqueles donde se produce comida, con varios niveles uno sobre otro e iluminación artificial.  El espacio agrícola se multiplica por 10 o 20, utilizando el mismo terreno.

Surge la pregunta, ¿Por qué utilizar electricidad y agua entubada, si el sol y el agua de lluvia son gratis?

Respuesta: por la eficiencia.

El cultivo de la lechuga, un vegetal que permite su “urbanización”, toma unos tres meses en el campo o en invernadero, con lo cual puedo tener un máximo de 4 cosechas anuales, eso en lugares donde no existe un fuerte invierno, que hace que tenga menos.  Sin embargo, en una granja urbana el proceso toma unos 32 días, con lo cual se pueden obtener unos 11,4 ciclos anuales, es decir cosechas. Incluso la producción puede ser continua.

Esto además viene acompañado de una mayor sanidad en los cultivos, no entran pestes o plagas, además de la economía en el transporte y el hecho de que puedo consumir en el almuerzo lo cosechado en la mañana.

Existe además la posibilidad de mejorar la calidad nutritiva de los cultivos utilizando la luz, fotobiología.

Las plantas no absorben todo el espectro luminoso, notablemente rebotan el verde, esa es la razón por la que casi siempre los vegetales son de este color, y utilizan predominantemente el azul (430 nm), el rojo (660 nm) y el rojo lejano (730 nm).

Con la aparición de la luces LED, se pueden tener lámparas de una longitud de onda particular, con lo cual se utiliza la electricidad solamente para general el color utilizado por la planta. También es posible automatizar el proceso, robotizándolo y tener un monitoreo constante del ambiente y el estado fisiológico de las plantas, utilizando fotografía infrarroja.  Esto permite tener un proceso completamente controlado y optimizado al máximo, aunque la optimización debe ser un proceso continuo.

 

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Para finalizar

Después de la invención de la agricultura hemos tenido dos paradigmas que han cambiado fundamentalmente la manera de producir alimentos: 1. la utilización de productos químicos, que se estableció el siglo pasado, motivado entre otras cosas por la capacidad de producir fertilizantes a partir del aire, el Proceso Haber-Bosch, y 2. la tecnología biológica que se está implementando en el presente. Ambas nos han permitido ser más eficientes en la producción de alimentos y así poder atender las necesidades de suministros de una población cada vez más creciente y más urbana. La tecnología química ha tenido consecuencias nocivas al ambiente y la salud; la tecnología biológica es más amigable, más natural, con menor impacto ambiental y en la salud. Además, tiene una mayor productividad.

En 1798 Thomas Malthus predijo que la humanidad iba a colapsar y se iba a extinguir, producto de que la población aumentaba de manera exponencial y la producción de alimentos de manera aritmética. Con estas nuevas tecnologías seguimos ganando la carrera para escapar de la predicción de  Malthus.

Para saber un poco más

  1. González, G., Alemán, S., & Infante, D. (2003). Asexual Genetic Variability in Agave fourcroydes II: Selection among individuals in a clonally propagated population. Plant Science, 165(3), 595-601.
  2. Infante, D., González, G., Peraza-Echeverría, L., & Keb-Llanes, M. (2003). Asexual genetic variability in Agave fourcroydes. Plant Science, 164, 223-230.
  3. Infante, D., Molina, S., Osorio, M., & González, G. (2007). Genetic improvement of asexually propagated plants. In R. E. Litz & R. Scorza (Eds.), Proc. Intl. Sym. on temperate fruits crops and tropical species (pp. 721-728). Daytona Beach, USA: ISHS.
  4. Osorio, M., Gámez, Elizabeth., & Infante, Diógenes. (2012). Evaluation of cassava plants generated by somatic embryogenesis in different stages of development using molecular markers. Electronic Journal of Biotechnology; Vol 15, No 4.
  5. R. Rojas, W. G., D. Esparza, B. Medina, Y. Villalobos y L. Morales. (2007). Efecto de la densidad de plantación sobre el desarrollo y rendimiento del cultivo de la yuca Manihot esculenta Crantz, bajo las condiciones agroecológicas de la Altiplanicie de Maracaibo Revista de la Facultad de Agronomía, 24(1).

 

 

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Diógenes Infante Herrera es Licenciado en Biología, (1980), Universidad Simón Bolívar, Caracas, Venezuela. Diplôme d’Études Approfondies en Microbiologie, (1983), Université Paris-Sud, Orsay, France y Doctorat en Microbiologie, (1987), Université Paris-Sud, Orsay, France. Postdoctorados: (1987-89), Roche Institute of Molecular Biology, Nutley, NJ, EE. UU. y (1989-1990) Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, New York, NY, EE. UU. Ha sido investigador en: Núcleo Experimental de Biotecnología Agrícola, Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas-Caracas, Venezuela. Centro de Investigación Científica de Yucatán, Mérida, México. Centro Nacional de Biotecnología Agrícola, IDEA, Caracas, Venezuela. Investigador visitante, Max Planck Institute for Plant Breeding Research, Colonia, Alemania (2001). Actualmente es investigador de Alto Nivel 1, Programa Prometeo, Senescyt, Ecuador. Perfil en ResearchGate.

Cassini y el último retrato de Saturno

Publicado en zemiorka.
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Con las imágenes obtenidas por Cassini el pasado 13 de setiembre se elaboró el último, y espectacular, retrato completo de Saturno. Vía: Jason Major.-
 El pasado 15 de setiembre todos experimentamos algo extremadamente raro pero cada vez más frecuente: emoción, tristeza, angustia. Finalizaba una de las misiones espaciales más caras, largas y exitosas de la historia. Nos emocionamos ante el fin de vida de un robot real, que nos introdujo en la rutina de maravillarnos con uno de los planetas más fascinantes de nuestro Sistema Solar. Eso, que ya pasó cuando desconectaron a HAL, me parece una inequívoca señal de que hace rato estamos en el futuro.
 El final de Cassini está pletórico de imágenes épicas, que quedarán en las mejores páginas de la historia de la exploración espacial. Aún queda mucho por hacer con los datos recolectados por la misión. La foto de portada es el último retrato que tenemos de Saturno tomado desde la distancia orbital de Cassini. Fue captada en una secuencia de once fotografías obtenidas el pasado 13 de setiembre, mientras Cassini se aproximaba a su final en la atmósfera de Saturno. Si bien la toma de imágenes se realizó con los filtros para el rojo, el verde y azul, los mismos han sido exagerados para aumentar el contraste de los detalles del planeta y sus anillos.
 Y el resultado es espectacular. Esta es la última imagen de Saturno provista por Cassini, y por mucho tiempo será el retrato definitivo de Saturno.
 Vía: Jason Major.-

Las bacterias del cielo

Publicado en Chile Científico.
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Durante el invierno, las temperaturas descienden, los días grises son más frecuentes y las nubes se vuelven las protagonistas de este periodo. Ahora, ¿qué vuelve especialmente interesante a las nubes? Pues que ellas contienen mucho más que simplemente vapor de agua. Las nubes son un aerosol, una mezcla de gas y partículas microscópicas de diversa naturaleza, como polvo, carbón, sal de mar u otros minerales que arrastrados por el aire, llegan hasta las capas superiores de la atmósfera.

Lo sorprendente es que dentro de las nubes también podemos detectar partículas de origen biológico, como bacterias.

Sabemos que las nubes se forman a partir de vapor de agua, el que al ganar altitud comienza a enfriarse y condensarse. Sin embargo, esta transición de vapor a líquido requiere de pequeñas partículas en suspensión, los llamados núcleos de condensación de nubes (NCCs).

Los NCCs son la fracción sólida de las nubes, las partículas microscópicas que mencionamos al comienzo. Pues bien, los microorganismos también pueden actuar como NCCs. El caso más conocido de NCC de origen biológico es el de Pseudomonas syringae, una bacteria que secreta una proteína que promueve la condensación y formación de hielo a temperaturas cercanas a 0ºC. Así el hielo formado por P. syringae rompe la pared celular de las plantas a quienes infecta, favoreciendo su proliferación al interior de ellas.

Aunque este fenómeno se produce a nivel terrestre, investigaciones que mezclan la microbiología y el estudio del clima han demostrado la existencia de bacterias en la tropósfera, la capa más baja de la atmósfera terrestre y que va desde los 20 km en el trópico hasta los 7 km en los polos. Aunque el rol que cumplen ahí aún no está claro, sabemos que existen en gran cantidad. Se han detectado hasta 100.000 células por m3 de aire, y en algunos casos representan hasta el 20% del total de micro-partículas en suspensión. Además, un porcentaje mayoritario de estas bacterias se encuentran activas biológicamente, y muchas de ellas parecen funcionar como NCCs.

Pero, ¿por qué esto es importante? Al actuar como NCCs las bacterias estarían participando de la formación de nubes, de las gotas de lluvia y de la nieve. Entonces nos tendríamos que preguntar, ¿cómo llegan hasta ahí? Las tormentas, huracanes y en general cualquier actividad, humana o natural, que implique el movimiento y remoción de tierra y polvo produce el desplazamiento hacia la atmósfera de NNCs, tanto biológicos como no biológicos. Sin embargo, actuar como NNCs no es el único papel de las bacterias en la formación de nubes, también son una importante fuente generadora de NCCs no biológicos.

Pelagibacterales es el grupo de bacterias más abundante en el océano, constituyendo un tercio de la comunidad microbiana que en él habita. Como parte de su metabolismo, Pelagibacterales degrada un compuesto producido por el plancton, liberando a su vez dimetil sulfuro (DMS) a la atmósfera. Este compuesto es el que da su olor característico al mar y también actúa como NCC, ayudando a la generación de las nubes. Para algunos científicos esto podría tener importantes consecuencias sobre el clima. Ellos proponen que el aumento de la radiación solar favorece el crecimiento del plancton, quien a su vez produce más del compuesto precursor utilizado por los Pelagibacterales. Como consecuencia habría un aumento del DMS atmosférico, lo que generaría más nubes, enfriando el ambiente. Esta hipótesis, conocida como CLAW, aún no se comprueba, pero tendría implicancias muy importantes para el clima, ayudando a la mejor comprensión de uno de los mecanismos que regulan la formación de nubes.

Aún se requiere bastante investigación para conocer que funciones cumplen las bacterias que se encuentran en la atmósfera. Por ahora sabemos de su presencia y que una parte significativa de ellas se encuentra activa. En el futuro sería muy interesante conocer cómo se adaptan a las condiciones extremas de radiación solar a las que se ven sometidas, cuál es la distancia que logran viajar, por cuánto tiempo y quá tipo de bacterias son las que mejor logran desplazarse por la atmósfera.

Fuentes

Klein AN, Bohannan B, Jaffe D, Levin DA, Green JL. Molecular Evidence for Metabolically Active Bacteria in the Atmosphere. Front Microbiol. 2016 7: 772.

DeLeon-Rodriguez N et al. Microbiome of the upper troposphere: Species composition and prevalence, effects of tropical storms, and atmospheric implications. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013. 110(7): 2575–2580.

Smith DJ, Griffin DW, Jaffe DA. The High Life: Transport of Microbes in the Atmosphere. Eos. 2011. 92(30): 249-250.

Sun J et al. The abundant marine bacterium Pelagibacter simultaneously catabolizes dimethylsulfoniopropionate to the gases dimethyl sulfide and methanethiol. Nat Microbiol. 2016. 1(8):16065.

La inesperada vida en una cueva subglacial/ «Dicen del mundo…

Publicado en Historias Cienciacionales.
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La inesperada vida en una cueva subglacial

/ «Dicen del mundo algunos que ha de perecer en fuego; otros, que en hielo», dice el poeta estadounidense Robert Frost. No es difícil tomar esta metáfora del odio como factor desolador de las relaciones humanas y llevarla a lo que pensamos sobre las capacidades de los seres vivos. Seguro nada puede sobrevivir en un fuego intenso; seguro nada puede sobrevivir en un hielo perpetuo. «[…] Para la desolación, el hielo es eficaz y no haría falta nada más», termina Frost.

Si uno visita la Antártida, de inmediato puede pensar que Frost lleva algo de razón. En este continente de mínimas temperaturas, la vida es sumamente rara tierra adentro. Casi toda el agua del entorno está congelada; no está  fácilmente disponible para los organismos vivos. Los nutrientes son escasos y, vaya, son parte del hielo. En suma, se pasa sed, hambre, y tanto frío como seguramente el que debe hacer en alguno de los círculos del infierno.

Mas la vida existe ahí, especialmente en forma microscópica. Y ahora estamos empezando a saber que es abundante y diversa. La pura presencia de muchos tipos de microorganismos es un indicio para algunos científicos que los páramos blancos de la Antártida, junto con otras zonas del mundo donde abunde el hielo, debe considerarse un nuevo bioma. El hábitat de los organismos que prosperan en el frío. El bioma glacial.

Las regiones del planeta con capas de hielo o glaciares conforman al 10% de la superficie terrestre. En una gran parte de la biósfera, las temperaturas son menores a 5°C y eso es seña de que una gran parte de los microorganismos del planeta están adaptados al frío, según argumentan Alexandre Anesio y Johanna Laybourn-Parry, del Centro de Glaciología de la Universidad de Bristol, Reino Unido. Ellos, que pugnan por que los glaciares y los hielos sean reconocidos como parte de la biósfera, escribían en 2012 en la revista Trends in Ecology and Evolution [Tendencias en Ecología y Evolución], que las comunidades de microorganismos glaciales son poco conocidas pero parecen ser auténticos ecosistemas en miniatura. Y los hielos de la Antártida son un buen ejemplo.

Debajo de una extensa cubierta helada, la Antártida es un continente geológicamente activo. El calor de las capas internas de la tierra es suficiente para derretir la base de muchos glaciares. A lo largo del continente, existen numerosos lagos “subglaciales”, como se les ha llamado. El más conocido es el lago Vostok, localizado en la parte oriental de Antártida y el sexto lago más grande del mundo, medido por volumen de agua. Los científicos suponen que este cuerpo de agua enterrado  (o mejor dicho, “englaciado”)  se conecta con varios otros por medio de un sistema de escorrentías y ríos. Debido a la posible contaminación por los métodos de excavación, hasta el momento no ha sido posible asomarse directamente al agua del lago, aunque en la columna de hielo que lo sepulta se han encontrado varios indicios de microorganismos.

Sin embargo, los lagos subglaciales no son los únicos sitios que pueden albergar vida en ese desierto frío. En la superficie de los hielos se pueden crear pequeños cuerpos de agua miniatura dentro de agujeros formados por sedimentos que hacen que el hielo se derrita, por diferencias en la temperatura de fusión. Ahí se han encontrado bacterias fotosintéticas. Se han hallado además comunidades enteras bacterianas en el agua estival dentro de glaciares de alta montaña. E incluso la nieve es hogar de microorganismos. Ahora, parece que se puede añadir otro hábitat a la lista: las cavernas geotermales.

En una isla cercana al continente antártico, se alza el Monte Erebus, el volcán activo más al sur que se pueda encontrar. El calor proveniente del interior de la tierra no sólo encuentra vías de salida en el cráter de ese volcán, sino también en forma de cavernas de hielo que se forman por los gases calientes que emanan desde abajo. Son túneles blancos que asemejan un fotograma fijo del movimiento de una ola embravecida. La temperatura es sorprendentemente alta, lo suficiente para entrar en ellos con bermuda y playera y sentirse cómodo, aunque sin lugar para asolearse.

Mas no fue así como entraron vestidos Ceridwen Fraser, investigadora de la Universidad Nacional de Australia, y su equipo cuando fueron a tomar muestras a las cuevas aledañas al monte Erebus. Con las precauciones de quien trabaja en la zona de hielo perpetuo (entiéndase, al menos una chamarra), su equipo de investigadores de Nueva Zelanda y Estados Unidos buscaba una de las señales más inequívocas de presencia de vida en un sitio: moléculas de ADN. Para encontrarlas, basta tomar una muestra de suelo y tomar en el laboratorio todo el ADN que se pueda encontrar ahí. Hay que asegurarse de que no esté contaminada con ADN de otros organismos del camino o, como a veces pasa, con el ADN de los mismos investigadores. Pero si esos controles se superan, como fue el caso del estudio de Fraser y sus colegas, publicado la semana pasada en la revista Polar Biology, entonces puede uno obtener una lista aproximada de los organismos que han vivido en el sitio.

Los investigadores encontraron evidencia de que en esas cuevas aledañas al Monte Erebus hay una diversidad de bacterias, protozoarios, algas y virus. Una comunidad en forma, pero que ya ha sido encontrada en otros puntos gélidos antárticos y árticos. Sin embargo, había una serie de fragmentos de ADN en ese suelo que no empataban con ningún organismo unicelular conocido. Al ampliar la comparación con otros grupos de seres vivos, Fraser y sus colegas hallaron los pares: se trataba de ADN propio de especies de plantas y animales.

Entre los tipos de organismos multicelulares cuyo ADN se encontró en esas cuevas había musgos, artrópodos, un tipo de gusanos microscópicos llamados nematodos y otro tipo de gusanos anillados llamados oligoquetos. Todos las secuencias de ADN pertenecen a especies ya conocidas, mas quedaron algunas sin identificar, lo que sugiere la posible existencia de organismos endémicos a aquellas cuevas. Sobrevivirían gracias a la luz del sol que llega a colarse a la caverna y a las minúsculas cantidades de nutrientes que llegan de afuera o de los gases del volcán.

Fraser y su equipo saben que aún es pronto para decir que la vida animal y vegetal prospera en esas cuevas. Nadie ha visto a los organismos como tal. «El siguiente paso sería darle una mirada más de cerca a las cuevas y buscar organismos vivos. Si existen, se abre la puerta a un mundo nuevo y emocionante», dijo Laurie Connell, una de las colaboradoras del estudio, en una entrevista para el semanario Newsweek. Pero vaya que es una puerta emocionante. Pensar que en el corazón cálido de las tierras más frías del planeta podría haber biomas enteros en miniatura, que sobreviven gracias a las migajas que le llegan del mundo más caliente, nos debe hacer reflexionar sobre el potencial de los seres vivos para mantenerse, pues, vivos.

Parece entonces que bastan algunos nutrientes, ínfimas cantidades de agua disponible, y algo de luz de sol para que el caldo de la vida comience a ebullir. Robert Frost decía que no hacía falta nada más que hielo para la desolación. Y la mera agua congelada traería en verdad un páramo sin vida. Sin embargo, ahora podemos matizar esas palabras. Bastan una fina capa de sedimento o un poco de agua líquida, y podemos toparnos con un ecosistema. Para que la vida pueda evadir la desolación, basta con que haya un poquito más que sólo hielo. Este fin del mundo, pues, no se vestirá de blanco.

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La foto está tomada de este sitio, y tiene de crédito a Michael Becker y la AFP.

En este sitio puedes leer más en español sobre la cobertura periodística del caso.

Aquí el estudio de Fraser y sus colegas.

Aquí el escrito de Anesio y Laybourn-Parry, en el que proponen que los glaciares y los hielos sean considerados un bioma.