La presente nota es una traducción literal al español de la publicada por el Smithsonian en idioma inglés. El final de la nota se podrá encontrar el enlace para leerlo en su idioma original.
Por Danielle Hall
Revisado por Alyson Santoro y Sarah Laperriere, UC Santa Barbara
Introducción
Invisible a simple vista, en el océano vive un mundo rebosante de microbios con una complejidad y diversidad que rivaliza con el resto de la vida en la Tierra. Incluyen bacterias, virus, arqueas, protistas y hongos. Si pesáramos todos los organismos vivos del océano, el 90% de ese peso correspondería a los microbios. El hecho de que estos microbios no puedan verse no significa que no sean importantes. Los microbios son a menudo los motores de los ecosistemas que, de otro modo, no tendrían acceso a los alimentos y nutrientes que necesitan. Muchos son también los guardianes de los ecosistemas sanos, limpiando el océano de residuos y a menudo defendiédolo de las enfermedades en lugar de propagarlas. Los microbios viven en algunos de los entornos más extremos, desde los respiraderos hidrotermales en ebullición hasta los lagos glaciares subterráneos de la Antártida. Incluso fueron la primera vida del planeta, viviendo sin oxígeno en un antiguo océano. Pueden brillar, ayudar a formar las nubes y producir una de las toxinas más mortíferas del mundo.
Los microbios son esenciales para un ecosistema oceánico próspero. Sin ellos, el mundo que conocemos no existiría.
¿Qué es un microbio?
Los microbios están en todas partes, incluido el océano. Un solo litro de agua de mar contiene unos mil millones de bacterias y 10 mil millones de virus. Pero, ¿qué significa ser un microbio? Un microbio es un organismo extremadamente diminuto, y no está necesariamente dentro de un grupo unificado que esté estrechamente relacionado. De hecho, los microbios existen en los tres dominios de la vida. Hay microbios que son bacterias, microbios que son arqueas y microbios que forman parte del dominio más complejo del que forman parte las plantas y los animales: los eucariotas. Incluso los virus, un grupo que los científicos debaten si es una forma de vida, se consideran microbios. Los microbios son increíblemente diversos y viven en bulliciosos mundos microscópicos que son invisibles a nuestros ojos.
Puedes ver cómo se relacionan todos estos microbios en nuestro árbol interactivo de la vida de los microbios marinos o continúa leyendo para aprender más.
Bacterias
El Silicibacter es un tipo de bacteria marina que vive en un dinoflagelado huésped específico. Sin la Silicibacteria, el dinoflagelado muere. (Dr. Robert Belas)
Aunque a menudo se las considera vectores de enfermedades, la mayoría de las bacterias son inofensivas y forman parte de los ecosistemas de todo el mundo. También son extremadamente abundantes: en una sola gota de agua puede haber más de 100 especies de bacterias. Se han encontrado en casi todas las superficies de la Tierra, incluso en lugares aparentemente inhóspitos. Las más pequeñas miden una centésima de milímetro y las más grandes, encontradas en los sedimentos oceánicos de la costa de Namibia, miden tres cuartos de milímetro, lo suficientemente grandes como para verlas a simple vista. Mientras que algunas obtienen energía mediante la fotosíntesis, otras son capaces de producirla a través de diferentes reacciones químicas. Las bacterias del género Bdellovibrio incluso cazan y consumen otras bacterias. Algunas bacterias, como las cianobacterias, vivieron hace más de 3.500 millones de años, durante el Precámbrico. Las pruebas de su existencia se encuentran en los montículos fosilizados llamados estromatolitos, rocas aparentemente anodinas que son, en realidad, capas y capas de cianobacterias muertas.
Una bacteria es un organismo unicelular, o procariota, con una estructura celular relativamente simple. Suelen tener forma de varilla, esfera o espiral, aunque algunas tienen características únicas, como una espiral especialmente apretada. La célula consta de una membrana celular permeable, ADN, fábricas de proteínas llamadas ribosomas y una pared celular externa protectora. A diferencia de otros organismos más complejos, como los eucariotas, las bacterias carecen de un núcleo cerrado y, en su lugar, el ADN flota en una maraña agrupada llamada nucleoide. El ADN bacteriano suele estar organizado en un único cromosoma circular. En ocasiones, las bacterias transportan ADN en anillos más pequeños conocidos como plásmidos. A menudo, un solo plásmido se transmite de una bacteria a otra en una interacción de tipo sexual denominada conjugación.
Modelo 3D de una bacteria Pelagibacter. (Cortesía de Xiaowei Zhao)
Las bacterias del océano se adaptan a su entorno. Las que están cerca de la superficie del agua, como las cianobacterias, tienden a hacer la fotosíntesis. Por tanto, tiene sentido que los tipos y el número de bacterias presentes en la superficie estén a menudo ligados a la ubicación y a la estación del año: aprovechan cuando la temperatura y la luz solar que son las adecuadas. Algunas bacterias se alimentan del fitoplancton moribundo y sólo crecen en número cuando hay floraciones de algas estacionales.
En las profundidades, las bacterias desarrollan adaptaciones únicas para arreglárselas sin la luz solar y, en general, esto conduce a una mayor diversidad bacteriana en las profundidades. Alrededor del 70% de los microbios del océano viven en la oscuridad del océano abierto. Aquí, las bacterias son más propensas a ser eficientes nadadores con colas llamadas flagelos, una necesidad para evitar a los hambrientos depredadores. Otras se aferran a las masas de partículas muertas que caen, ya que la materia en descomposición es una fuente perfecta de nutrientes.
Archaea
Micrografía electrónica de barrido de la archaea Methanocaldococcus villosus. (Cortesía de Gerhard Wanner, Universidad de Munich, Alemania)
Aunque en su día se consideraban bacterias especializadas, ahora se sabe que las arqueas constituyen un ámbito de vida propio y único. Gran parte de la confusión se debe a su parecido visual con las bacterias. También son organismos unicelulares con una estructura celular básica. Pero un examen más detallado revela que muchos de sus genes son más parecidos a la vida compleja, como los animales. Muchas arqueas viven en los entornos más extremos del planeta, incluyendo lugares increíblemente salados, calientes, ácidos o radiactivos. Incluso en las aguas termales de Yellowstone, estas criaturas prosperan. Tienen el récord de temperatura más alta tolerada, con 266 grados Fahrenheit (130 grados Celsius), y algunas investigaciones sugieren que podrían tolerar hasta 302 grados Fahrenheit (150 grados Celsius). Algunas arqueas pueden soportar entornos con un 35 por ciento de sal, lo que resulta sorprendente si se tiene en cuenta que el agua del océano sólo tiene un 3,5 por ciento de sal.
Como las primeras arqueas descubiertas se encontraron en ambientes extremos, inicialmente se clasificaron como "extremófilas". Sin embargo, ahora se sabe que viven en todas partes, en lugares tan dispares como el fondo del océano o el intestino de una vaca. Alrededor del 40% de los microbios que viven en el océano son arqueas. Algunos son lo suficientemente grandes como para verlos a simple vista, como una especie que crece en alfombras blancas y filamentosas en las raíces de los manglares de las Indias Occidentales, aunque la mayoría son microscópicos. Algunas viven asociadas a corales, esponjas y peces, mientras que otras, como la Thaumarchaeota, son una presencia dominante que flota en la columna de agua como plancton diminuto.
Virus
Un virus llamado cianófago que ataca a las cianobacterias. La barra indica una escala de 100 nm. (Bin Ni, Chisholm Lab, MIT)
Puede parecer una afirmación descabellada, pero vivimos en un mundo dominado por los virus. Hay más de 1030 virus en el océano, una cifra tan elevada que supera en unos mil millones de veces el número de estrellas del universo conocido.
Un virus es un agente infeccioso que debe ocupar una célula huésped (como una bacteria) para replicarse. Su anatomía básica incluye una carcasa proteica llamada cápside que contiene su material genético, que es ADN o ARN. Los virus que infectan bacterias y arqueas se denominan fagos. Algunos virus también tienen una membrana llamada envoltura que recubre el interior o el exterior de la cápside. Al infectar un huésped, un virus secuestra la maquinaria reproductiva de la célula, que se convierte en una fábrica de replicación de virus. La capacidad de replicarse suele considerarse una característica definitoria de la vida, por lo que los científicos suelen debatir si los virus pueden considerarse vivos.
Los virus que existen en el océano suelen infectar a huéspedes específicos, por lo que cuando las comunidades bacterianas cambian, también lo hacen los tipos de virus presentes en el océano. En general, las tasas de infección son mayores en la parte de la columna de agua iluminada por el sol. El proclorococo es una bacteria fotosintética especialmente propensa a la infección, por lo que cuando hay altos niveles de proclorococo en el agua, el número de virus también es elevado.
Protistas
Se trata de una mezcla de protistas unicelulares: diatomeas, dinoflagelados, radiolarios y foraminíferos. (Christian Sardet, Plankton - Wonders of the Drifting World, Univ. Chicago Press 2015)
Algunos microbios son unicelulares, pero contienen la misma maquinaria interna (llamada orgánulos) que los organismos multicelulares más complejos, como las plantas y los animales. Estos organismos se clasifican como protistas y pueden tener características similares a las de las plantas, los animales o ambos. Algunos obtienen la energía de sus cloroplastos, los orgánulos responsables de la fotosíntesis, y se consideran microalgas, mientras que otros tienen colas batientes llamadas flagelos que utilizan para impulsarse por el agua en busca de bacterias y otros protistas más pequeños que engullen e ingieren. Un tipo de protista, llamado choanoflagelado, lanza el agua a través de una franja de 30 a 40 pelos con un flagelo para atrapar las bacterias, y un dinoflagelado llamado Pfiesteria piscicida ("asesino de peces") utiliza un tubo de alimentación para succionar el líquido del tejido de los peces, un acto que puede matarlos. Otros pueden hacer la fotosíntesis y consumir presas.
Aunque son pequeños, los protistas pueden tener un impacto dramático en los ecosistemas. Muchos pueden aumentar rápidamente su número hasta formar floraciones de algas tóxicas, mientras que otros son depredadores tan voraces que mantienen controlado el número de bacterias. Los corales dependen de sus zooxantelas simbióticas, un tipo de protista llamado dinoflagelado, para abastecerse de alimento y, en algunas zonas tropicales del mundo, el agua brilla de color azul-verde o rojo gracias a los protistas bioluminiscentes. A pesar de su importancia, los protistas son algunos de los microbios menos conocidos del océano.
Hongos
Estas rocas de Escocia albergan líquenes marinos, algo que parece un solo organismo pero que en realidad es una relación simbiótica entre hongos y algas. Las bandas representan diferentes tipos de líquenes adaptados a distintas distancias de la línea de marea. (Wikimedia Commons)
Los mohos, las levaduras, los hongos y las setas constituyen un grupo increíblemente diverso de hongos en tierra, pero en el océano son comparativamente difíciles de encontrar. La mayoría de los hongos marinos están asociados a la descomposición de material vegetal y pueden encontrarse en marismas, sedimentos de aguas profundas y bosques de manglares, aunque también se encuentran en el lodo cercano a la costa, en los tractos digestivos de los animales, en las fuentes hidrotermales de aguas profundas y en las algas y los corales. Aunque normalmente se encuentran en aguas poco profundas, el hongo Rhodotoula fue descubierto a 11.000 metros de profundidad en la Fosa de las Marianas. Otros hongos viven como parásitos dentro de las plantas marinas, las algas y los animales.
Es difícil estudiar los hongos extremadamente pequeños en sus entornos marinos preferidos, donde los nutrientes son abundantes, pero desempeñan importantes funciones en el ecosistema, desde el reciclaje de nutrientes hasta la infección de especies más grandes, como el coral o la langosta.
Relaciones ecológicas
En La red alimentaria: El bucle microbiano
Durante gran parte de la historia, los científicos entendían que la red alimentaria del océano estaba formada por productores, como las plantas y las algas, y consumidores, como los peces y los mamíferos. Esencialmente, cosas grandes comiendo cosas pequeñas. Pero esto dejaba fuera una pieza integral del rompecabezas de la red alimentaria. Invisibles a simple vista, los microbios no se consideraban importantes.
Pero esto está muy lejos de la realidad. Los microbios contribuyen a la red alimentaria del océano a través del bucle microbiano, un proceso en el que los microbios reciclan los desechos de otros organismos y devuelven a la red alimentaria tanto los recursos como la energía restante en esos desechos. Los microbios absorben o se "alimentan" de los restos microscópicos de los organismos muertos y sus productos de desecho, material que de otro modo se acumularía y contaminaría el océano. Cuando otras criaturas se alimentan de los microbios, transmiten esa energía y esos recursos a la cadena alimentaria.
La parte microbiana de la cadena alimentaria es un mundo de criaturas de aspecto extraño. Las bacterias son consumidas por unas criaturas llamadas nanoflagelados, diminutos orbes con una o dos colas y a veces una falda. Esos nanoflagelados son luego engullidos por criaturas algo más grandes llamadas ciliados, depredadores amorfos con pelos que cubren su cuerpo. Sólo ahora aparecen organismos lo suficientemente grandes como para verlos a simple vista. Los copépodos, crustáceos parecidos a bichos, y otro zooplancton se alimentan de los ciliados y son la principal fuente de alimento de los peces pequeños.
Este bucle microbiano es el que mantiene el océano limpio y despejado. Sin los microbios, el océano sería un páramo.
El aroma del mar
El azufre no sólo se utiliza como fuente de energía, sino también como un tipo de defensa química. Al descomponer los compuestos químicos producidos por el fitoplancton, las bacterias liberan a la atmósfera el aromático sulfato de dimetilo (DMS). En pequeñas dosis, el DMS produce un sutil aroma, que para muchas personas es el agradable pero salado y picante olor del mar, sin embargo, las dosis concentradas de una floración de algas provocan un olor desagradable.
Muchas especies de algas son inmóviles y, por lo tanto, deben fortificarse fuertemente contra lo que les llegue. Si una ola de frío atraviesa el lugar donde viven, no pueden simplemente levantarse y salir en busca de aguas más cálidas. Tampoco pueden marcharse si un banco de voraces depredadores se acerca nadando. En cambio, pueden producir una miríada de sustancias químicas protectoras que actúan como un insecticida o un anticongelante. Una sustancia química especialmente popular producida por las algas marinas se llama dimetilsulfoniopropionato. Los científicos lo llaman DMSP. Aunque el uso exacto de este producto químico rico en azufre sigue siendo un misterio, los científicos suponen que puede ayudar a disuadir a los depredadores, evitar las infecciones virales, proteger contra la radiación ultravioleta, regular la salinidad y la temperatura, y posiblemente actuar como anticongelante.
La espuma burbujeante de esta foto fue creada por un microbio que descompone el DMSP. En este proceso se libera un gas, y cuando hay suficientes microbios se forma la espuma. (Wikimedia Commons)
Las algas crean una gran cantidad de DMSP, hasta 6 x 107 gigatoneladas anuales. La mayoría de las algas no pueden descomponer el DMSP y, cuando producen esta sustancia química, también retienen grandes cantidades de azufre. Estas algas han creado un gran enigma: necesitan el azufre para fabricar proteínas?. Aquí es donde entran en juego los microbios. Las bacterias contienen enzimas especiales que convierten el DMSP en formas utilizables de azufre. Hasta el 90% del DMSP producido por las algas es convertido en azufre consumible por las bacterias. El 10% restante se convierte en DMS, una sustancia extremadamente volátil que flota en la atmósfera en forma de gas y es la fuente del olor a aerosol marino. Un alga microscópica llamada Phaeocystis es una productora de DMSP especialmente prolífica que también puede transformar la sustancia química en DMS. Una floración de Phaeocystis puede causar un aumento de 10 a 100 veces de DMS atmosférico en comparación con la cantidad media encontrada cerca del océano abierto.
El olor del DMS es un poderoso reclamo para las aves marinas. Los albatros, las pardelas y los petreles tienen un agudo sentido del olfato y siguen el olor de una floración de fitoplancton porque promete sabrosos krill y peces que se alimentan de las algas. El DMS en la atmósfera también puede provocar la formación de nubes. Para que se forme una nube, las gotas de agua deben condensarse en trozos de partículas flotantes, como el polvo, el hollín de los incendios, las cenizas volcánicas, los gases de escape de los coches o el DMS. Dado que la formación de nubes ayuda a bloquear y repeler la radiación solar de la Tierra hacia el espacio exterior, la producción de DMS por parte de las bacterias actúa como un regulador potencial de la temperatura de la Tierra. Un mundo con más fitoplancton, y por tanto más DMS, podría tener un pequeño efecto de enfriamiento en el globo.
Relaciones simbióticas
Los microbios viven en comunidades y dependen unos de otros para vivir. Dentro de la comunidad, los tipos individuales de microbios pueden tener funciones que apoyan el bienestar general del grupo. Por ejemplo, la descomposición es un proceso en el que los microbios descomponen a los organismos muertos para obtener el carbono encerrado (véase la sección "Los microbios como motores metabólicos"). Esto requiere múltiples pasos, por lo que a veces los microbios viven juntos y se especializan, es decir, cada especie individual lleva a cabo un paso del proceso de descomposición. En otro ejemplo, los microbios pueden alterar el entorno para convertirlo en un lugar mejor para vivir. Una bacteria es capaz de segregar un ácido para que el entorno tenga la acidez (pH) correcta para que otros se unan. Los científicos sólo están arañando la superficie cuando se trata de comprender cómo interactúan los microbios entre sí, y este ámbito de investigación seguramente revelará algunas relaciones interesantes en un futuro próximo.
Aunque la mayoría de las relaciones simbióticas son entre microbios, en algunos casos los microbios se emparejan con un organismo mayor. Estas relaciones microbianas conforman un microbioma.
Los gusanos zombi (Osedax roseus) devoran los huesos de una ballena muerta que ha caído al fondo del mar. (Yoshihiro Fujiwara/JAMSTEC)
El microbioma es un término que designa a la comunidad microbiana que se instala en el cuerpo de otro organismo. Muchos de los microbios que viven en la superficie o en el interior del cuerpo de otra especie desempeñan un papel fundamental en la supervivencia de su anfitrión, y a cambio obtienen un lugar seguro para crecer con abundante alimento. Aunque en la mayoría de las relaciones microbianas no están claros los beneficios exactos que aporta cada simbionte, a menudo el microbio proporciona alimento, un mecanismo de defensa o potencia la inmunidad frente a las enfermedades. El gusano Osedax frankpressi, que no come huesos, no existiría sin los microbios que viven en sus células y descomponen el colágeno, el colesterol y los lípidos de los esqueletos de las ballenas que mueren y caen al fondo del océano. El gusano de Pompeya, un gusano con forma de pluma que vive cerca de los respiraderos hidrotermales, puede soportar temperaturas de hasta 80 grados Celsius (176 grados Fahrenheit) protegiendo su cola con bacterias resistentes al calor. Los microbios también pueden actuar como simbiontes de otros microbios. En el intermareal, las algas y los hongos conviven y forman líquenes. Los hongos construyen estructuras resistentes que ayudan al liquen a adherirse a las rocas a pesar de las fuertes olas, y las algas les proporcionan alimento mediante la fotosíntesis.
En el caso del pez globo, un manjar conocido en la cocina asiática, los simbiontes bacterianos proporcionan una importante defensa contra los depredadores: producen la neurotoxina llamada tetrodotoxina. Para muchos depredadores, incluidos los humanos, es una toxina mortal. La exposición a la toxina puede interrumpir las contracciones musculares fundamentales para el latido del corazón, lo que la convierte en una poderosa defensa contra los depredadores hambrientos. Muchos otros animales, además del pez globo, también dependen de la toxina para defenderse de los atacantes no deseados: los pulpos de anillos azules, las estrellas de mar, los cangrejos de herradura, el cangrejo de los huevos de flor y varias criaturas terrestres utilizan la toxina, lo que llevó a los científicos a preguntarse por qué tantas especies lejanamente relacionadas utilizan la misma toxina. La investigación actual sugiere que las bacterias simbióticas son la fuente de la toxina mortal. Los peces globo y otras especies obtienen las bacterias del medio ambiente y secuestran la toxina en sus órganos. Las especies tóxicas pueden tolerar concentraciones de la neurotoxina entre 500 y 1.000 veces superiores a las que podría soportar una especie normal, gracias a las proteínas especializadas de sus neuronas que han evolucionado para resistir la toxina.
Una esponja de barril es un gran hogar para los microbios. Las esponjas forman relaciones simbióticas con complejas comunidades de microorganismos que incluyen arqueas, bacterias y eucariotas unicelulares. Los microbios realizan tareas esenciales que la esponja no puede hacer por sí misma, como absorber nutrientes y producir sustancias químicas de defensa. En algunas esponjas, los microbios pueden representar hasta el 40% de su peso total. (NOAA, Santuario Marino Nacional de Flower Garden Banks)
Ya sea como mecanismo de defensa para evitar a los depredadores, como señuelo para atraer a las presas o como medio para atraer a la pareja, para muchos organismos la luz desempeña un papel fundamental en la vida cotidiana. Mientras que algunos son capaces de producir luz por sí mismos, otros adquieren la capacidad de brillar con la ayuda de un socio microbiano. El rape utiliza unas minúsculas bacterias brillantes llamadas Photobacterium, que se instalan en la esca (el "señuelo") del pez, la estructura del extremo de su "caña de pescar". Cada especie de rape se empareja con una especie única de bacteria luminiscente.
El calamar de cola blanca también depende de una bacteria luminiscente llamada Vibrio fischeri, y permite selectivamente que esta bacteria crezca dentro de sus órganos productores de luz llamados fotóforos. Al nacer, un calamar joven carece de la bacteria bioluminiscente y debe encontrar los microbios productores de luz en la columna de agua. En esta etapa de la vida, el órgano luminoso del calamar no está completamente desarrollado, pero unos pequeños pelos a lo largo del fotóforo acercan a las bacterias, y un elemento molecular de disuasión prohíbe la entrada de todas las bacterias, excepto el Vibrio fischeri. Una vez que una bacteria entra con éxito en el fotóforo, se multiplica por cientos de miles, una colonización que estimula el desarrollo completo del fotóforo. Sin las bacterias, el fotóforo del calamar no se desarrollará, haciendo que el órgano luminoso sea inútil como dispositivo de camuflaje. El Vibrio fischeri es un compañero común de la bioluminiscencia con muchas otras criaturas que deben sus habilidades brillantes al microbio.
Salud y enfermedad
Un chequeo saludable
Los microbios tienen mala reputación como gérmenes causantes de enfermedades, pero la mayoría de los microbios son en realidad esenciales para que muchos organismos sobrevivan. Estos cohabitantes saludables contribuyen al bienestar de sus compañeros proporcionando servicios que el huésped no puede realizar por sí mismo. Se sabe que algunos microbios producen moléculas antimicrobianas que mantienen alejadas a las bacterias, hongos y arqueas no deseadas. Incluso la mera presencia de microbios buenos puede ser suficiente para disuadir a los microbios no deseados y dañinos de colonizar el cuerpo de un huésped, ya que cualquier recién llegado debe competir por el espacio y los recursos. Los microbios también pueden influir directamente en la expresión de los genes dentro de la célula del huésped, lo que cambia lo que la célula produce. Una vez más, la investigación actual sólo es superficial en lo que respecta a los microbiomas de los organismos marinos. Por el momento, la mayoría de los estudios se centran en averiguar qué microbios existen, con el objetivo final de determinar las funciones de determinados microbios y cómo afectan a su huésped.
Un ejemplo es un estudio de las exhalaciones de las ballenas desde el espiráculo que promete revelar un método para evaluar la salud de las ballenas únicamente en función de los cambios en su microbioma respiratorio. Los científicos pueden utilizar un plato de recogida unido a un dron que se cierne sobre la ballena justo cuando está a punto de exhalar y recoger el aire lleno de microbios. Una vez que los científicos establecen qué bacterias deben existir en una ballena sana, pueden comparar este microbioma de referencia con el de otras ballenas para determinar si están enfermas.
Brotes en el océano
Al igual que en los humanos, las enfermedades forman parte de la vida en el océano. Aunque la mayoría de los microbios son habitantes benignos del océano, unos pocos seleccionados son vectores de enfermedades. Las enfermedades infecciosas están causadas por virus, bacterias, hongos y parásitos protistas, todos ellos denominados patógenos. La mayoría de los peces del océano albergan una serie de parásitos y patógenos a pesar de parecer más o menos sanos.
Pero, a veces, una enfermedad empieza a extenderse y el brote puede tener importantes repercusiones ecológicas. A menudo, un brote es causado por una combinación de factores ambientales y la presencia de un patógeno. El agua turbia, la contaminación, las aguas ácidas, las tormentas, las olas de calor, otros factores de estrés o incluso otros patógenos pueden hacer que un huésped potencial sea más susceptible a la infección. Los corales infectados combaten el daño infligido por los hongos parásitos que perforan túneles a través de sus esqueletos de carbonato cálcico produciendo una fina mancha cristalina que bloquea los hongos. Pero los científicos temen que este mecanismo de defensa sea ineficaz en los océanos ácidos. A menudo la propagación de enfermedades pasa desapercibida en el océano, y sólo cuando los infectados son comercialmente importantes o carismáticos la gente se da cuenta. Algunas de las enfermedades marinas más notables del siglo pasado son la enfermedad de la hierba marina en el Atlántico Norte durante la década de 1930, un brote de la enfermedad de la banda blanca en los corales del Caribe que cambió el ecosistema durante la década de 1980, un brote de la enfermedad de la mancha blanca en los camarones durante la década de 1990 y la enfermedad del caparazón de la langosta desde finales de la década de 1990 hasta principios de la década de 2000.
La viruela blanca apareció por primera vez en los Cayos de Florida en 1996. Las manchas blancas en este coral cuerno de alce indican tejido enfermo. (Jim Stuby)
Entre 2013 y 2015, las enfermedades marinas se pusieron en el punto de mira cuando un misterioso patógeno comenzó a infectar a las poblaciones de estrellas de mar a lo largo de la costa del oeste de Estados Unidos. En total, unas 20 especies diferentes fueron infectadas por el síndrome de emaciación de las estrellas de mar, una enfermedad que convirtió a las estrellas de mar en una sustancia viscosa. Mientras que algunas especies de estrellas de mar eran capaces de combatir la infección, otras, como la estrella de girasol (Pycnopodia), se desintegraban por completo sólo una semana después de los primeros signos de exposición. En Vancouver, más del 90% de la población de estrellas de girasol murió a causa de la enfermedad. No todas las especies de estrellas de mar comienzan a mostrar signos de la enfermedad cuando se exponen, lo que sugiere que puede haber múltiples patógenos y condiciones ambientales que desencadenen el síndrome.
Un mundo que se calienta
El aumento de la temperatura de los océanos proporciona el entorno perfecto para la propagación de la enfermedad, ya que, por lo general, la mayoría de las bacterias, los virus y los hongos pueden prosperar en temperaturas más cálidas. La temperatura actúa como un mecanismo de avance rápido dentro de la célula del microbio, acelerando las reacciones químicas y aumentando las mutaciones a nivel genético que pueden dar lugar a nuevas cepas. Los microbios también son capaces de ampliar su hábitat al seguir el calentamiento de las aguas y la alteración de las corrientes oceánicas, donde encuentran nuevos huéspedes. Entre 1990 y 1991, unas aguas más cálidas de lo normal hicieron que un parásito infeccioso de las ostras se extendiera 500 km hacia el norte, desde la bahía de Chesapeake hasta Cabo Cod, para acabar apareciendo en la costa de Maine unos años después. Los brotes de Vibrio, un género de bacterias que infecta a las ostras (y causa el cólera en los seres humanos), se producen ahora con más frecuencia en las latitudes septentrionales. Por primera vez, el Vibrio llegó a las aguas de Alaska durante un verano especialmente cálido en 2004.
Imagen de microscopio electrónico de barrido de la bacteria Vibrio cholerae. (Instalación de microscopía electrónica del Darthmouth College)
No solo los nuevos huéspedes nunca han estado expuestos a estos patógenos invasores, sino que ellos mismos están luchando contra el estrés de un clima más cálido y, por tanto, son más susceptibles a la infección. Muchas de las infecciones microbianas que asolan a los corales sólo aparecen después de que el coral se haya estresado lo suficiente debido a una tormenta severa o a un blanqueo relacionado con el calor. En 2005, los corales de las Islas Vírgenes del Caribe empezaron a recuperarse de un grave blanqueamiento sólo para sucumbir a la enfermedad de la peste blanca, un brote que mató al 50% de los corales de la región.
Hábitats
Desde las profundidades de la corteza terrestre hasta los lagos bajo los glaciares de la Antártida, los microbios colonizan algunos de los hábitats más extremos del planeta. Pueden soportar presiones aplastantes, temperaturas tan calientes como para fundir el plomo y miles de años al borde de la inanición. Incluso la superficie y las tripas de las criaturas marinas están llenas de microbios, a menudo sin que su anfitrión lo sepa.
Columna de agua
Vivir en la columna de agua, cerca de la superficie del océano y de la luz solar, es un lugar ideal para que un microbio prospere. Esta zona alberga algunos de los mayores fotosintetizadores del mundo.
El más impresionante es una cianobacteria llamada Prochlorococcus. Se calcula que es más abundante que cualquier otro fotosintetizador del planeta y que es responsable de producir el 20% del oxígeno de la atmósfera. Una de cada cinco respiraciones que haces, se la debes al Prochlorococcus. Quizá sea igual de sorprendente el hecho de que los científicos no descubrieran este fotosintetizador superabundante hasta 1988.
El Prochlorococcus es el fotosintetizador más abundante del planeta y produce aproximadamente el 20% del oxígeno de la atmósfera terrestre. (Anne Thompson, Laboratorio Chisholm, MIT)
La columna de agua también alberga el que podría ser el microbio más abundante del planeta, una bacteria llamada Pelagibacter. Este microbio suele representar alrededor del 25% de todos los microbios de la columna de agua, pero durante una floración es probable que represente hasta el 50%. A diferencia de las cianobacterias, el Pelagibacter se alimenta de materia orgánica muerta disuelta en el agua del océano, un proceso de alimentación que forma parte del bucle microbiano. Los microbios como el Pelagibacter que viven en la columna de agua y se alimentan de materia orgánica muerta ayudan a mantener el océano limpio y despejado.
Fondo marino
Esta imagen muestra la colonización microbiana de un grano de arena. (David Probandt / Andreas Ellrott / Instituto Max Planck de Microbiología Marina)
Un fondo marino arenoso es un lugar ideal para que vivan los microbios. El fondo marino está 10.000 veces más densamente poblado que el océano abierto, y el 99% de los microbios que viven en el fondo marino lo hacen en el sedimento. Las bacterias se esconden en los surcos y hendiduras protegidas de los granos de arena. Un solo grano de arena puede albergar hasta 100.000 bacterias.
Si se desciende por debajo del fondo marino hasta un mundo casi completamente vacío de nutrientes y luz, aún se encontrarán microbios. Estas bacterias son supervivientes que fueron enterradas vivas hace cientos o miles de años por las algas que caen de las aguas superficiales. A medida que el tiempo avanza, las bacterias se entierran aún más en el subsuelo a medida que las algas se acumulan y el alimento del que subsisten continúa agotándose. Al carecer de nutrientes, las bacterias se vuelven metabólicamente lentas y tardan en reproducirse. Mientras que algunas bacterias de la columna de agua pueden duplicarse en menos de un día, en el subsuelo la misma duplicación puede tardar cientos de años. Un estudio determinó que las bacterias que vivían en una capa de sedimentos de 4.900 años de antigüedad se replicaban una vez cada 100 años. Pero esa profundidad sólo araña la superficie. Los científicos descubrieron bacterias a kilómetro y medio de profundidad en depósitos de carbón de 20 millones de años, las bacterias más profundas que se han encontrado hasta la fecha.
Biofilms
Un tapete microbiano cubre las rocas del fondo oceánico. (NOAA)
Una biopelícula es una ciudad interconectada de microbios, incluyendo bacterias, algas, protistas y virus, que forma una película sobre una superficie dura, como una roca o el fondo marino. Como organismos unicelulares, los microbios suelen flotar solos o en pequeñas colonias en aguas abiertas, pero si se acercan a una superficie como una roca o un alga pueden adherirse y quedar pegados a la superficie. Una vez que el primer microbio queda atrapado, se produce un efecto dominó en el que los microbios seguirán aferrándose unos a otros casi como si estuvieran atrapados por el velcro. A medida que los microbios se amontonan, pueden formar capas de comunidades microbianas únicas que pueden llegar a formar tapetes microbianos de varios milímetros de grosor. Una vez que un microbio se adhiere a una biopelícula, experimenta una serie de cambios para adaptarse mejor a una existencia inmóvil rodeada de una red de otros microbios. El cambio más importante es la producción de secreciones pegajosas de cemento que pegan a los microbios. Un estudio de 2008 descubrió que las bacterias de las biopelículas producían una toxina que disuadía el pastoreo de un protista que se alimentaba de bacterias, lo que sugiere que la vida en una biopelícula tiene varias ventajas en comparación con la flotación expuesta en el océano abierto. El Vibrio cholerae, la bacteria responsable del cólera, vive de forma natural como una biopelícula que cubre el zooplancton, un descubrimiento realizado por Rita Colwell.
Chimeneas hidrotermales
En las profundidades de la superficie del océano, las fuentes hidrotermales son focos de vida. A primera vista, parece improbable: las grietas de la corteza terrestre arrojan agua hirviendo que se ha calentado en las profundidades de la tierra a temperaturas de hasta 752 grados Fahrenheit (400 grados Celsius), una temperatura lo suficientemente caliente como para fundir el plomo. Además, estos respiraderos son tan profundos que nunca ven un rayo de luz del sol. A pesar de estos obstáculos, almejas, mejillones, camarones y gusanos gigantescos prosperan en estos hábitats. Su existencia se debe a las bacterias.
Muchos microbios aprovechan los nutrientes que arrojan los respiraderos hidrotermales. Este respiradero en concreto es un fumador blanco, llamado así por el color del humo que emiten las torres. (NOAA)
La vida junto a un respiradero hidrotermal depende de la energía producida por bacterias simbióticas. Las bacterias viven en el interior de los cuerpos o en la superficie de sus huéspedes. Pero a diferencia de la mayor parte de la vida en la Tierra, que utiliza la luz del sol como fuente de energía, estas bacterias producen energía a través de una reacción química que utiliza los minerales de los respiraderos.
Los científicos conocieron estas relaciones simbióticas gracias al estudio del gusano tubícola Riftia. Al descubrir por primera vez las comunidades hidrotermales en 1977, los científicos quedaron perplejos ante la diversidad y abundancia de vida. Las plumas de color rojo sangre del gusano filtran el agua y absorben tanto el oxígeno como el sulfuro de hidrógeno de los respiraderos. El sulfuro de hidrógeno es normalmente tóxico, pero el gusano Riftia tiene una adaptación especial que lo aísla del resto del cuerpo. Su sangre contiene hemoglobina que se une fuertemente tanto al oxígeno como al sulfuro de hidrógeno. La investigación posterior de estos hábitats únicos demostró que muchas de las otras criaturas que viven junto a los respiraderos también dependen de las bacterias simbióticas. El cangrejo yeti agita sus brazos en el agua para ayudar a cultivar bacterias en los diminutos pelos de los brazos que luego consume.
Arrecifes de coral
Las motas de color verde pardo son las zooxantelas de las que dependen la mayoría de los corales de aguas cálidas poco profundas para obtener gran parte de su alimento. (© osf.co.uk. Todos los derechos reservados.)
Imagínese un arrecife de coral y le vendrá a la mente una visión de coloridos corales, cangrejos y enjambres de peces, pero los arrecifes de coral son también focos de microbios marinos. Los corales y ciertas bacterias y arqueas forman relaciones simbióticas en las que dependen unos de otros para vivir. Estos microbios pueden encontrarse cubriendo la superficie exterior de los corales, en las profundidades de sus tejidos o entre los sedimentos bajo el arrecife, donde hay unas 10.000 veces más bacterias que en el agua circundante. Los corales incluso segregan un moco protector que proporciona nutrientes a las bacterias "buenas" selectivas como forma de influir en sus comunidades microbianas. Los microbios, a su vez, prestan servicios esenciales a los corales, como el suministro de nitrógeno, la descomposición de los residuos tóxicos y la alimentación de las algas simbióticas del coral, las zooxantelas (también un microbio). También pueden impedir el crecimiento de microbios dañinos ocupando la superficie habitable y bloqueando los asentamientos no deseados o mediante la producción de antibióticos. Un estudio sugiere que determinados microbios pueden ayudar a los corales a combatir el estrés del agua más cálida, lo que será fundamental para la supervivencia de los corales a medida que aumenten las olas de calor intenso debido al cambio climático.
Los microbios como motores metabólicos
La mayor parte de la vida en la Tierra depende de la energía obtenida de los rayos del sol, ya sea directamente mediante la fotosíntesis o consumiendo un organismo fotosintético y su energía almacenada. La fotosíntesis es una serie de reacciones químicas que toma la energía del sol y la convierte en una forma de energía que las células pueden utilizar. Aunque muchos microbios participan en este método para adquirir energía, algunos viven en entornos a los que no llega la luz solar. En las profundidades del océano, la luz sólo penetra hasta los 200 metros y algunos microbios viven en las profundidades de los sedimentos. Sin embargo, incluso en las zonas más profundas y oscuras del océano son capaces de sobrevivir. La mayoría de los microbios subsisten gracias a la caída de trozos de materia orgánica (cuerpos en descomposición, restos de comida, residuos) que provienen de las aguas superficiales, pero otros seleccionados han desarrollado formas novedosas de producir energía. En lugar de la luz solar, estos organismos especializados obtienen energía a través de reacciones químicas, un proceso llamado quimiosíntesis. Todos los microbios quimiosintéticos utilizan reacciones químicas para obtener energía, pero las sustancias químicas que utilizan difieren de una especie a otra en función del lugar donde viven y de las sustancias químicas disponibles.
La energía del sol
Los científicos utilizan imágenes de satélite del océano para estimar las concentraciones de clorofila en el agua. (NASA, Robert Simmon y Jesse Allen)
El carbono es uno de los principales componentes de la vida. Todos los organismos lo necesitan para construir moléculas en su cuerpo, incluidos los humanos. Pero las moléculas de carbono tienen muchas formas y sólo algunas pueden ser utilizadas por los seres vivos. El dióxido de carbono, por ejemplo, debe ser transformado por un organismo para poder ser utilizado como bloque de construcción dentro de un cuerpo vivo. Esto suele hacerse mediante la fotosíntesis, un proceso que también libera oxígeno, pero los microbios también pueden lograr esta hazaña mediante otras reacciones químicas. Los microbios son increíbles transformadores de carbono y desempeñan un papel fundamental en el transporte de carbono dentro de la red alimentaria del océano. Al absorber el dióxido de carbono de la atmósfera, los microbios marinos también desempeñan un papel fundamental en la regulación del clima de la Tierra.
No todo el carbono es igual. De hecho, la mayor parte del carbono del medio ambiente está encerrado en formas inutilizables. Por ejemplo, para la mayoría de los organismos, el carbono del dióxido de carbono no puede ser procesado. Los microbios marinos desempeñan un papel importante al tomar el dióxido de carbono de la atmósfera y transformarlo en nuevas moléculas de carbono llamadas hidratos de carbono, a menudo conocidas como "carbohidratos". Estas moléculas de carbohidratos pueden ser utilizadas como bloques de construcción dentro del cuerpo. Este proceso se produce durante la fotosíntesis: la energía del sol impulsa la transformación del carbono. Las cianobacterias del océano, como el Procholorococcus y el Synechococcus, son responsables de casi la mitad de la fotosíntesis de la Tierra. Los organismos que no pueden realizar la fotosíntesis obtienen su carbono cuando se comen un fotosintetizador u otras criaturas que comieron fotosintetizadores.
Máquinas de reciclaje
La mayoría de los microbios, sin embargo, aprovechan una fuente de carbono fácilmente al alcance de la mano en lugar de producir el suyo propio.
Invisibles a simple vista, trozos moleculares de proteínas, lípidos, hidratos de carbono y ácidos nucleicos (ADN y ARN) van a la deriva por toda la columna de agua. Estas moléculas, denominadas colectivamente materia orgánica disuelta (MOD), son demasiado pequeñas para que el consumidor medio las consuma, pero son fuentes perfectas de combustible para las bacterias. Al consumir las moléculas, las bacterias reintroducen energía crítica en la red alimentaria cuando criaturas ligeramente más grandes, como el krill, se comen las bacterias.
Los copépodos son un tipo de zooplancton que contribuye a la "alimentación descuidada". (R. Hopcroft, UAF, Hidden Ocean 2005 NOAA)
¿Cómo existen las moléculas disueltas en primer lugar? Al contrario de lo que se suele ilustrar en las redes alimentarias simples, una buena parte de la comida es desperdiciada por el consumidor. Las criaturas del océano son muy ineficientes a la hora de comer. El diminuto zooplancton mastica el fitoplancton y pierde gran parte de lo que pretende comer. En lugar de ser consumido, parte del fitoplancton es desgarrado por las mandíbulas que lo mastican y las entrañas celulares se liberan en el océano abierto donde quedan suspendidas en la columna de agua como DOM. Los científicos se refieren a este proceso como "alimentación descuidada".
En otro proceso, los protistas unicelulares, como el paramecio, contribuyen a la materia orgánica disuelta cuando excretan sus residuos. Tras engullir un fitoplancton en un saco digestivo llamado vacuola alimenticia, el paramecio utilizará todos los nutrientes, dejando atrás los residuos y las proteínas digestivas. Una vez absorbidos los nutrientes, la vacuola se fusiona con la membrana exterior y expulsa el contenido sobrante. Alrededor del 25 por ciento del carbono ingerido acaba siendo expulsado como residuo. Como dice el refrán, "la basura de un hombre es el tesoro de otro", y así las bacterias utilizan lo que el paramecio ha considerado inutilizable como fuente de combustible.
Una muestra de cianófagos (virus que atacan a las bacterias) brilla por una mancha en esta imagen ampliada. (Matthew Sullivan, Chisholm Lab, MIT)
Pero la mayor fuente de DOM procede de la muerte de las células del fitoplancton a causa de los virus. La mayoría de los virus marinos operan a través del ciclo lítico, un proceso que hace que la célula huésped se lise, o estalle. Una vez que un virus infecta una célula de fitoplancton huésped, se replica utilizando la maquinaria genética de la célula. A continuación, la célula huésped muere y expulsa al océano su contenido interno, incluidos los virus recién desarrollados. Cada día, entre el 20 y el 40 por ciento de los microbios marinos son infectados por virus.
Los microbios no sólo se dan un festín nutritivo cuando comen DOM, sino que también cumplen una función crítica en el medio ambiente. Los microbios limpian estos residuos del océano, y si no fuera por los microbios, el océano estaría en su mayoría lleno de descomposición. El bucle microbiano es tan importante que los científicos lo consideran la función ecológica más esencial de los microbios.
Poder de transformación
En lugar de la luz solar, los organismos especializados pueden obtener energía mediante reacciones químicas, un proceso llamado quimiosíntesis. Todos los microbios quimiosintéticos utilizan reacciones químicas para obtener energía, pero las sustancias químicas que utilizan difieren de una especie a otra en función del lugar donde viven y de las sustancias químicas disponibles.
Carbono
El olor de la materia muerta y en descomposición es la materia de la vida para algunas arqueas. La producción de metano oloroso, una molécula basada en el carbono, por parte de estos microbios es un último esfuerzo para utilizar los restos de materia en descomposición que ningún otro microbio puede utilizar para producir energía. Estos microbios son arqueas metanogénicas, y han ideado una forma de impulsar la producción de energía con las moléculas de carbono sobrantes menos deseadas. Estas singulares arqueas transforman químicamente el hidrógeno y el dióxido de carbono en metano para producir energía en un proceso especial llamado metanogénesis. La producción de metano por parte de los microbios se produce sobre todo en humedales pantanosos y anegados, pero puede ocurrir en cualquier lugar donde el oxígeno sea limitado y haya mucha materia en descomposición de la que se puede extraer carbono.
Los humedales costeros son un ecosistema donde prosperan los microbios productores de metano. (Kelly Fike/USFWS)
Uno de estos entornos ricos en hidrógeno son las fuentes hidrotermales. El Methanopyrus kandleri y el Methanocaldococcus son especies de arqueas amantes del calor que se instalan en las fuentes hidrotermales, donde tienen un amplio acceso al gas hidrógeno, que convierten en metano. El Methanocaldococcus se descubrió por primera vez en la base de una fumarola blanca en medio del Océano Pacífico, mientras que el Methanopyrus kandleri se ha aislado de sedimentos hidrotermales en la cresta de Kolbeinsey, frente a la costa de Islandia, y en la cuenca de Guaymas, en el Golfo de California. En el laboratorio, las células de Methanopyrus kandleri pueden incluso dividirse a 122°C, la temperatura más alta conocida como compatible con el crecimiento microbiano, aunque crece mejor a 98°C. Methanopyrus se traduce como "fuego de metano".
Mientras que para algunos microbios el metano es un producto de desecho, para otros el metano es su fuente de energía. Se sabe que tanto las arqueas como las bacterias descomponen el metano en el proceso de producción de energía. A unos 800 metros bajo los glaciares de la Antártida hay un lago repleto de microbios. Un subconjunto de estos microbios son metanógenos que viven en el suelo del lecho del lago y se alimentan de las plantas y animales en descomposición que quedaron atrapados en los sedimentos hace millones de años. Sorprendentemente, hay muy poco metano en el agua del lago. Esto se debe a que una bacteria que se alimenta de metano consume más del 99% del metano producido en los sedimentos del lago.
Los hongos microbianos también pueden desempeñar un papel importante en la descomposición de las complejas moléculas de carbono que quedan encerradas en los cadáveres de plantas y animales. Los hongos secretan compuestos especiales en el medio ambiente que luego rompen las estructuras complejas. A menudo se libera dióxido de carbono, que proporciona a otros organismos marinos un recurso esencial. En los fondos marinos profundos, los hongos pueden ser una presencia dominante en la comunidad microbiana y desempeñan un papel esencial en el reciclaje del carbono.
Azufre
Estos gusanos tubícolas dependen de los microbios que producen energía utilizando el sulfuro de hidrógeno que arroja el respiradero hidrotermal. (NOAA)
Para muchos organismos, incluidos los humanos, el oxígeno es necesario para producir energía. Por eso respiramos oxígeno. Pero en los lugares en los que no hay oxígeno, los microbios tienen una forma de conseguirlo: recurren a las moléculas de azufre. La molécula de sulfato desempeña el mismo papel que el oxígeno en la producción de energía.
El uso del azufre es especialmente importante cerca de las fuentes hidrotermales, ecosistemas profundos que carecen de luz solar y que a menudo arrojan sulfuro de hidrógeno al agua oceánica circundante. Las fumarolas sobrecalentadas que obtienen su color de varios minerales proporcionan a los microbios una fuente de sulfuro de hidrógeno, una molécula que, cuando se combina con el oxígeno, libera energía. Ecosistemas enteros que incluyen gusanos, cangrejos y peces dependen de la capacidad de estos microbios para producir energía a partir de los compuestos de azufre. Otros microbios cercanos a los respiraderos obtienen su energía del gas hidrógeno y producen sulfuro de hidrógeno a partir de los compuestos de azufre que salen de los respiraderos. En un sistema único cerca del volcán West Mata, en la costa de Samoa, se cree que las alfombras de microbios que cubren el fondo del océano alrededor del volcán obtienen su energía de otra forma de azufre llamada sulfato blanco.
Nitrógeno
Alrededor del 78% de la atmósfera es gas nitrógeno. Y, sin embargo, para la mayoría de los seres vivos que necesitan nitrógeno para sobrevivir esto es un problema. El nitrógeno gaseoso es imposible de procesar para la mayoría del fitoplancton. Es el mismo concepto que el de un marinero sediento y abandonado, rodeado de un océano de agua de mar: agua por todas partes, pero ni una gota para beber. Al igual que los humanos necesitan agua dulce para sobrevivir, la mayoría del fitoplancton necesita nitrógeno en forma de amonio químico (NH4+) o nitrato (NO3-). Las bacterias son capaces de transformar el nitrógeno gaseoso en formas utilizables mediante una serie de reacciones químicas. El proceso de convertir el nitrógeno gaseoso del aire en amonio se denomina fijación del nitrógeno.
El Trichodesmium es una cianobacteria filamentosa responsable de gran parte de la fijación del nitrógeno en el océano. Cuando crecen en número pueden verse desde arriba. (texaus1, Flickr)
Las bacterias y las arqueas también son fundamentales para el reciclaje del nitrógeno de los organismos muertos. Cuando organismos como los peces o las algas mueren, el nitrógeno de sus cuerpos queda encerrado en forma de proteínas. Bacterias y arqueas especiales toman el nitrógeno de las proteínas y lo transforman en amonio. Algunos microbios van más allá para crear nitrato, un proceso llamado nitrificación. Como la mayoría de las bacterias y el fitoplancton prefieren el amonio y el nitrato, el nitrógeno almacenado en las proteínas debe pasar por estos procesos de transformación antes de poder reintegrarse en la red alimentaria.
Pero algunas bacterias y arqueas son capaces de convertir directamente el amonio en nitrógeno gaseoso. Son los mismos microbios que se encuentran en las plantas de tratamiento de aguas residuales. A menudo, el oxígeno es un componente clave para la producción de energía, (los humanos y otros animales respiran oxígeno para su uso en la respiración celular) pero en un mundo vacío de oxígeno, estas bacterias recurren a materiales alternativos. En 1999, los científicos descubrieron un proceso bacteriano llamado anammox (abreviatura de oxidación anaeróbica del amonio) en el que las bacterias descomponían el amonio para producir energía. Pero durante este proceso de conversión, los microbios producen un producto químico desagradable que también se encuentra en el combustible para cohetes, llamado hidracina, que luego deben encerrar en compartimentos especiales y fortificados. Las bacterias que dependen de la anammox también crecen con extrema lentitud y sólo se duplican cada 14 días. Las cianobacterias que obtienen su energía del sol pueden duplicarse en un solo día, y las bacterias del intestino humano se duplican cada 20 minutos.
Para otros microbios que viven en entornos con oxígeno limitado, el nitrato (NO3-) se utiliza en lugar del oxígeno para producir energía. Se trata de un proceso llamado desnitrificación. Durante la descomposición del nitrato, los microbios producen gases de nitrógeno, como el óxido nitroso (N2O), el óxido nítrico (NO) y el gas nitrógeno puro (N2), que luego suben a la atmósfera. El gas nitrógeno recién producido se recicla y está disponible para que los microbios fijadores de nitrógeno lo utilicen para su propia producción de energía.
Limitando Nutrientes
Para que los microbios crezcan necesitan varios nutrientes clave, entre ellos el hierro. El hierro es un mineral crítico utilizado en la fotosíntesis, la respiración y la fijación del nitrógeno. Mientras que en tierra el hierro es uno de los elementos más abundantes, en el océano rara vez se encuentra. Todo el hierro que llega al océano ha tenido que venir de la tierra: la mayor parte procede de las partículas de polvo arrastradas por los fuertes vientos sobre el océano o de los sedimentos arrastrados por los ríos. Al haber poco hierro, los microbios han evolucionado para convertirse en eficientes acaparadores de hierro y segregan moléculas especiales que se aferran a las partículas de hierro que pasan. El crecimiento microbiano, por tanto, suele estar limitado por la cantidad de hierro en el océano.
El fósforo es otro nutriente limitante que los organismos necesitan para vivir. Es un componente crítico del ADN y de muchas proteínas. Pero en el océano el fósforo suele ser escaso. Al igual que el hierro, la principal fuente de fósforo procede de la tierra. En el Mar de los Sargazos, muchos microbios de la columna de agua han desarrollado formas de limitar su uso del fósforo. Algunos se han adaptado a utilizar azufre en lugar de fósforo para construir proteínas, reservando el fósforo para construir el ADN. En las zonas del océano con escasa cantidad de fósforo, también es habitual que los microbios tengan genomas pequeños: si el componente clave del ADN es escaso, resulta beneficioso tener poco ADN.
Los microbios también han desarrollado formas de convertirse en consumidores eficientes de fósforo y fabrican moléculas especiales que son especialmente buenas para captarlo.
Investigación microbiana
La fundación de un nuevo campo
En 1675, el fabricante de lentes holandés Antonie van Leeuwenhoek se asomó a su potente microscopio e hizo un descubrimiento sorprendente. El agua de lluvia que se encontraba bajo su lente contenía innumerables criaturas que "giraban con la misma rapidez con la que vemos girar una peonza". Estos "animalitos", como los llamaría, fueron las primeras bacterias observadas. Extasiado, Leeuwenhoek tomó muestras de agua de todos los lugares imaginables, incluido el mar. En todos ellos había animalitos.
Antony van Leeuwenhoek posa para un retrato.
Sin embargo, no fue hasta más de 200 años después cuando comenzó la investigación sobre las bacterias oceánicas en serio.
Inspirado por el trabajo de Louis Pasteur y su afirmación de que los "gérmenes" se encontraban en todas partes, Adolphe-Adrien Certes se propuso comprobar si era el caso de las profundidades marinas. Utilizando muestras obtenidas durante las expediciones francesas Talisman y Travailleur de la década de 1880, Certes pudo cultivar microbios a partir de muestras obtenidas a profundidades de entre 927 y 5100 metros. Al parecer, los microbios se encontraban, efectivamente, en casi todas partes.
El Dr. Bernhard Fischer fue otro microbiólogo que pasó del mundo de la medicina al de la oceanografía. Formado como investigador de la higiene en Alemania, Fischer es más conocido por su descubrimiento de las bacterias luminiscentes, una de las cuales lleva ahora su nombre. Sus estudios marinos se publicaron en uno de los primeros libros sobre microbiología marina titulado Die Bakterien des Meeres (Las bacterias del mar). A pesar de que había un puñado de microbiólogos que se adentraban en el mundo marino, la microbiología marina aún estaba en pañales como área de estudio única.
El Talisman y el Travailler exploraron las profundidades del mar y descubrieron muchas criaturas nuevas. Esta es una ilustración del barco Talisman. (Sous les mers; campagnes d'explorations du "Travailleur" et du "Talisman "via the Biodiversity Heritage Library)
En las décadas de 1930 y 1940, la microbiología marina fue finalmente reconocida como un campo propio. Claude ZoBell, un microbiólogo estadounidense, comenzó a enseñar microbiología en el Instituto Scripps de Oceanografía y más tarde publicó el libro de texto clásico Microbiología marina: A Monograph on Hydrobacteriology. Además de descubrir más de 68 especies de bacterias oceánicas, fue pionero en el estudio de los microbios marinos y sus actividades cotidianas. Gracias a estos esfuerzos, ZoBell es considerado el "padre de la microbiología marina". Al mismo tiempo, justo en la costa, C.B. van Niel influía en los estudiantes de la Estación Marina Hopkins de la Universidad de Stanford. También traería a Estados Unidos una técnica holandesa que permite el crecimiento de un microorganismo específico. Esta contribución ayudó a revelar la inmensa diversidad de bacterias en los entornos oceánicos.
Claude ZoBell fue un destacado microbiólogo marino a mediados del siglo XX. (Fotografía por cortesía del Instituto Scripps de Oceanografía, UC San Diego)
Pero uno de los acontecimientos más influyentes en el estudio de los microbios marinos durante la década de 1900 fue un completo accidente. En 1968, el Alvin, un submarino del Instituto Oceanográfico de Woods Hole, se inundó y se hundió en el fondo del océano. Al recuperarlo, la tripulación se dio cuenta de que había quedado un objeto interesante en el submarino: el almuerzo de alguien. A pesar de los 10 meses transcurridos entre el hundimiento del Alvin y su recuperación, el sándwich y la manzana parecían recién preparados. El descubrimiento de la conservación del almuerzo inspiró a muchos científicos a preguntarse por qué era así y, en última instancia, hizo que aumentara el interés por el papel de los microbios y la descomposición en las profundidades marinas. Muchos científicos consideraron que esto era una prueba de que los microbios no eran muy activos en las profundidades marinas, una idea que ahora se ha demostrado falsa.
Parte de la razón por la que es tan difícil estudiar los microbios de las profundidades marinas es la presión. A una profundidad de 6.500 pies, la presión es casi 200 veces superior a la que sentimos en tierra. A finales de la década de 1970, un esfuerzo concertado entre tres laboratorios, los de Holger Jannasch, Aristides Yayanos y Rita Colwell, comenzó a recuperar microbios adaptados a la presión ("barófilos") de las profundidades marinas. El trabajo condujo finalmente al descubrimiento del primer microbio que prosperaba a alta presión en 1979. Más tarde, Yayanos descubrió un microbio que necesitaba altas presiones para sobrevivir. Colwell y su entonces estudiante de posgrado, Jody Deming, utilizaron los microbios encontrados en las tripas de los animales de las profundidades marinas para demostrar que comunidades enteras de microbios pueden prosperar en las profundidades marinas.
La era molecular
A finales de la década de 1900, el estudio de los microbios marinos requeriría algo más que cultivarlos en el laboratorio y examinarlos al microscopio. Se necesitaría desarrollar nuevas técnicas científicas para revelar más sobre el mundo microbiano.
En 1976, Carl Woese y George Fox revolucionaron el campo de la microbiología con su descubrimiento de un tercer dominio de la vida: las arqueas. Al comparar las secuencias de genes de ARN con una técnica revolucionaria de la que fueron pioneros, pudieron demostrar que no todos los microbios estaban estrechamente relacionados.
La clave del descubrimiento de Woese y Fox fue el uso del ARN, un tipo de código genético similar al ADN. Aunque los eucariotas, las arqueas y las bacterias tienen estructuras celulares diferentes, comparten una pieza común de maquinaria dentro de sus células llamada ribosoma. El ribosoma es la fábrica de proteínas de la célula, y construye proteínas leyendo direcciones codificadas basadas en el ADN. Los propios ribosomas están formados por moléculas de ARN, y son las secuencias de este ARN especial de los ribosomas las que Woese y Fox compararon entre archaea, eucariotas y bacterias. Con esta técnica también se pudieron descubrir nuevas especies de microbios. Tras trazar el código del ARN del ribosoma, los científicos podían comparar el código con el de otros microbios conocidos. Si el código era único, indicaba el descubrimiento de un nuevo microbio.
Brendan Byrne
Pronto surgirían otras técnicas genéticas.
En 2003 y 2004 se publicaron las primeras secuencias completas del genoma de microbios marinos. Esto significaba que los científicos conocían ahora el código de ADN exacto de una especie concreta. Los genomas de Prochlorococcus y Synechococcus, dos de los fotosintetizadores más abundantes del planeta, fueron dos de los primeros microbios secuenciados. Pero aislar una especie específica de microbio no siempre es posible. Muchos microbios no crecen en las soluciones de agua salada que los científicos utilizan en el laboratorio. Esto plantea un problema con muchas técnicas moleculares que requieren una muestra pura de un solo microbio. La invención de la metagenómica cambiaría esta situación.
La metagenómica es el proceso de tomar ADN del medio ambiente y leer los códigos genéticos para luego revelar qué especies viven en ese lugar del medio ambiente. También puede indicar a los científicos qué tipo de microbio está en ese lugar y qué puede hacer. Por ejemplo, el descubrimiento de genes de fotosíntesis en el medio ambiente indica a los científicos que hay un fotosintetizador. El descubrimiento de genes que producen metano indica a los científicos que los microbios de ese entorno específico son metanógenos, es decir, microbios que producen energía mediante reacciones químicas.
La metagenómica es un proceso de varios pasos que aísla un código genético de una muestra de muchos. En primer lugar, los científicos toman una muestra de todo el material genético, o ADN, en un entorno específico (1). A continuación, el ADN de doble cadena se divide en sus hebras simples y se corta en cientos de trozos pequeños (2), un proceso que hace que la longitud del ADN sea manejable para los ordenadores. Por último, una vez leída la secuencia, el ordenador encuentra las secuencias de ADN superpuestas (3) para volver a unirlas y revelar la secuencia de ADN completa (4). (Instituto Smithsoniano)
La aplicación de la metagenómica al campo de la microbiología marina revelaría todo un nuevo mundo de microbios, incluida la diversidad de virus marinos. Este campo explotó en 2004 cuando se aplicó en el Mar de los Sargazos, una zona en medio del Océano Atlántico, una técnica conocida como secuenciación de escopeta, utilizada por primera vez para secuenciar el genoma humano. Desde entonces se ha ampliado a innumerables entornos únicos en todo el océano, incluido el cadáver de una ballena en el fondo marino.
En la actualidad, los científicos siguen comprendiendo no sólo qué microbios existen en el océano, sino qué hacen. Una y otra vez se comprueba que, aunque los microbios son invisibles a simple vista, forman parte del mundo oceánico y abundan en él.
Conexiones humanas
En el hogar
Puede que no te des cuenta, pero en el día a día los seres humanos dependen de los microbios marinos, incluso dentro del hogar. Como habitantes de entornos extremos, los microbios producen proteínas y moléculas especializadas que les ayudan a sobrevivir a las duras condiciones. Algunas de estas sustancias pueden aplicarse para el uso humano y ahora se encuentran en la industria cosmética, textil, manufacturera y de combustibles. Las enzimas degradantes producidas por los microbios tolerantes al calor son aditivos perfectos para eliminar las manchas en los detergentes, ya que pueden soportar tanto el intenso calor del agua como la dureza de la lejía. Las enzimas microbianas también se utilizan mucho en la elaboración de alimentos, tanto para su conservación como para alterar su textura, sabor o calidad. A menudo se utilizan para ablandar la carne, en la repostería y para eliminar la lactosa de la leche para los intolerantes a la lactosa.
Los microbios marinos podrían incluso tener un lugar en el botiquín algún día. Históricamente, muchos de nuestros medicamentos más exitosos provienen de microbios terrestres, y ahora los investigadores están dirigiendo su búsqueda hacia el océano. Sólo siete medicamentos de origen marino han sido aprobados por la FDA, la mayoría procedentes de esponjas y moluscos, pero los científicos tienen la esperanza de que este número se multiplique a medida que continúe el estudio y el descubrimiento de nuevos microbios marinos. Sólo en la última década se han descubierto más de 200 nuevos compuestos producidos por microbios marinos al año. Ahora sabemos que muchos de los compuestos que antes se atribuían a las esponjas proceden en realidad de sus simbiontes microbianos. Los microbios marinos son muy prometedores en la producción de fármacos supresores de tumores, tratamientos contra el Alzheimer, medicamentos para aliviar el dolor y antibióticos. Una bacteria marina llamada Serinicoccus produce un compuesto que hace que las células del melanoma implosionen en tres horas. Otra es capaz de detener el crecimiento tanto del ántrax como de la bacteria estafilocócica resistente a los antibióticos (MRSA), un hallazgo emocionante teniendo en cuenta el reciente aumento de las bacterias resistentes a los antibióticos. Los microbios también pueden ayudar a potenciar los antibióticos actuales desactivando los mecanismos de defensa de las bacterias dañinas. Un microbio marino llamado Pseudoalteromonas piscicida lo hace obstruyendo la maquinaria que bombea los antibióticos de las cepas resistentes de las bacterias.
Zonas muertas
Cada primavera, los grandes ríos arrastran los nutrientes desde el interior hasta el océano. Llenos de fertilizantes y excrementos de ganado, es la mezcla perfecta de nitrógeno y fósforo para que crezcan las algas. La combinación de los abundantes nutrientes de la escorrentía y la luz del sol provocan grandes floraciones de algas, algunas de las cuales pueden verse desde el espacio. Algunas algas producen sustancias químicas tóxicas que dañan a otros organismos, pero hay otro efecto secundario de estas floraciones de algas nocivas (FAN): las zonas muertas. Una zona muerta es una gran franja del océano que tiene un nivel de oxígeno limitado (una condición llamada hipoxia) y que ya no puede satisfacer las necesidades de oxígeno de los animales que respiran bajo el agua a través de las branquias. En consecuencia, las zonas que antes rebosaban de vida se convierten en pueblos fantasmas submarinos. Aunque las zonas muertas se asocian a la proliferación de algas, en realidad son el resultado de una explosión de crecimiento microbiano. A medida que las algas mueren, proporcionan un festín a los microbios, que se multiplican y consumen oxígeno mientras ayudan a descomponer las algas muertas. La segunda zona muerta más grande del mundo se produce anualmente en la desembocadura del río Misisipi, en el Golfo de México. De año en año puede variar desde menos de 5.000 km2 hasta 8.494 km2, o el tamaño de Massachusetts. Siete de las 10 mayores zonas marinas muertas del mundo se encuentran en el Mar Báltico, una estadística que ha llevado a la Unión Europea a centrarse en la reducción de la contaminación en la región.
El mar de rojo en las olas está causado por un alga llamada Karenia brevis. (NOAA)
Aunque la hipoxia es un fenómeno natural en algunas regiones del océano, la influencia de la actividad humana en otras zonas es motivo de preocupación. El aumento de la contaminación en los últimos 50 años ha contribuido a incrementar las áreas hipóxicas y las zonas muertas. El calentamiento de los océanos debido al cambio climático también amplía las zonas muertas, ya que el aumento de la temperatura disminuye la cantidad de oxígeno que puede disolverse en el agua. En 2019 hay 415 zonas muertas documentadas en todo el mundo.
Derrames de petróleo
Como un mundo que depende del petróleo como nuestra principal fuente de energía, a veces el petróleo encuentra accidentalmente su camino en el medio ambiente. Los vertidos de los petroleros, los residuos expulsados por el agua de lastre de los barcos, las explosiones en alta mar y la escorrentía de la costa pueden hacer que el petróleo se acumule en el océano y dañe los ecosistemas marinos. Afortunadamente, algunos microbios marinos son consumidores naturales de petróleo. Existen, en parte, porque a lo largo del fondo del océano hay filtraciones naturales en las que el petróleo burbujea desde las grietas del lecho marino. Aquí, los microbios han desarrollado durante millones de años la capacidad de consumir y degradar el petróleo. Hay cientos de especies de bacterias, arqueas y hongos que dependen del petróleo y, en condiciones oceánicas normales, estos microbios representan menos del 1% de la comunidad microbiana. Pero en presencia de petróleo se multiplican, llegando a ser el 10% de la comunidad.
El papel de estos microscópicos consumidores de petróleo se hizo crítico tras el vertido de petróleo de la plataforma Deepwater Horizon del Golfo de México, reconocido como el peor vertido de petróleo marino de la historia de Estados Unidos. Como este vertido se produjo en el fondo marino, donde ya había microbios consumidores de petróleo, los trabajadores de la limpieza recurrieron a los dispersantes para ayudar a los diminutos microbios.
Un Hércules C-130 del Mando de la Reserva de la Fuerza Aérea despliega dispersante en el Golfo de México el 5 de mayo de 2010, como parte del esfuerzo de respuesta al derrame de petróleo de Deepwater Horizon/BP. (Fuerza Aérea de los Estados Unidos, sargento técnico Adrian Cadiz)
Pero los dispersantes no siempre son una opción para la limpieza de petróleo. Durante el segundo mayor vertido de petróleo en aguas estadounidenses -el vertido del Exxon Valdez frente a la costa de Alaska en 1989- los fuertes vientos contribuyeron a la decisión de no utilizar dispersantes. A pesar de los esfuerzos por contener físicamente el vertido en alta mar, alrededor del 15% de la costa del Golfo de Alaska quedó impregnada de petróleo. Los equipos de limpieza recurrieron entonces a la biorremediación, es decir, a la adición de nutrientes para estimular a los microbios naturales a degradar el petróleo más rápidamente. Se añadieron fertilizantes nitrogenados a las aguas costeras, una decisión que aumentó la degradación del petróleo por los microbios de tres a cinco veces en algunas zonas. A pesar de ser alabado como un éxito general, siguen quedando trazas de petróleo atrapadas bajo las rocas y bajo los sedimentos de la zona. La biorremediación tiene más éxito en las zonas de guijarros pequeños y arena gruesa, ya que los nutrientes añadidos tienen dificultades para romper la barrera de tejido apretado impuesta por la arena fina. Otros usos exitosos de la biorremediación incluyen el derrame del Prestige cerca de España en 2002 y un derrame en la costa de Kuwait durante la Guerra del Golfo de 1991.
En el Smithsonian
Los microbios, que antes se pasaban por alto, son ahora un tema de investigación candente para los científicos, que se han dado cuenta de que, a pesar de su pequeño tamaño, son inmensamente importantes para la existencia de ecosistemas saludables.
Los arrecifes de coral son uno de esos ecosistemas que se ven afectados por sus vecinos microbianos invisibles de diferentes maneras. Los científicos de la Estación Marina Smithsonian de Fort Pierce están estudiando los microbiomas de los corales para determinar cómo la presencia o ausencia de ciertos microbios afecta a la salud del coral anfitrión. Max Teplitski y Valerie Paul están interesados específicamente en comparar los microbiomas de los corales sanos y los que tienen la enfermedad de la banda negra, una infección caracterizada por una alfombra de diversos microbios que se extienden por el coral en una banda negra visible. Parece que los corales sanos tienen una comunidad microbiana diferente a la de los corales infectados y ahora los investigadores pretenden averiguar por qué puede ser así.
Como la pintura rosa, las algas coralinas crustáceas cubren la superficie de la roca en una fina capa. Esta superficie dura es el hogar preferido de las larvas de coral y otros invertebrados como el abalón. (Mandy Lindeberg, NOAA/NMFS/AKFSC)
Para muchos animales que pasan la primera parte de su vida a la deriva en mar abierto, el olor de los microbios es una fuerte señal para establecerse. Varios científicos del Smithsonian están estudiando cómo los microbios indican a las larvas y por qué el olor es un atractivo para los jóvenes a la deriva. La investigación realizada por Jennifer Sneed descubrió que las larvas de coral de cola de mostaza que van a la deriva en mar abierto eligen su hogar siguiendo el olor de las bacterias. Las bacterias de las biopelículas viscosas que cubren las superficies del océano producen sustancias químicas "olorosas", y algunas especies producen aromas diferentes. Una larva de coral puede distinguir el olor de una especie específica de bacterias y elegirá establecerse en superficies que incluyan estas bacterias. Todavía no está claro por qué a las larvas les gusta más el olor de un microbio que el de otro, pero Sneed y otros sospechan que puede estar relacionado con sus posibilidades de supervivencia.
Los microbios simbióticos también pueden influir en la evolución genética de su huésped. El molusco Solemya velum, un bivalvo como las almejas y las vieiras, convive con un microbio que produce energía mediante unas moléculas a base de azufre llamadas sulfito. Este molusco obtiene sus compañeros microbianos tanto de sus padres, un proceso llamado transmisión vertical, como de su entorno, llamado transmisión horizontal. En el Museo Nacional de Historia Natural del Smithsonian, Vanessa González está cartografiando el genoma del molusco en un esfuerzo por comprender mejor cómo coevolucionan estas dos especies.
Puedes leer la nota original en su idioma ingles en ese enlace: