Gaia, la tierra de los microorganismos.

Microbiología avanzada para niños.

Autor: Almudena Zaragoza.

Ilustración: Chus F. Sarrión.

Sinópsis del libro.

Gaia, nuestro planeta Tierra, es la protagonista de esta saga de cuatro libros sobre microbiología avanzada para niños. En este primer volúmen, a través de los ojos de su protagonista, el pequeño lector, irá descubriendo aspectos complejos de los primeros estadíos de vida en la Tierra y el fundamental papel de los microorganismos.

Para los niños que aún no saben leer, sus papás se encargarán de iniciarles en la ciencia que estudia la vida.

Para ello, se incluye también un glosario de términos importantes para comprender el contexto de Gaia y una batería de preguntas, para una profundización en las bases teóricas de la microbiología.

Como complemento para loa profesores y padres más curiosos, adjuntamos al final de esta página, un artículo de divulgación con referencias biliográficas a trabajos del ámbito científico, para dar coherencia esta maravillosa experiencia, en la que niños y adultos podrán ahondar en la fantástica función de estos diminutos seres, en nuestro planeta.

¿Quieres saber más?

1. Investiga sobre el origen de mi nombre: Gaia y su significado. La hipótesis Gaia, fue desarrollada en 1970 por el biólogo James Lovelock, y postula que las condiciones para que la vida tenga lugar en nuestro planeta, son propiciadas por la propia vida. El papel de los microorganismos en esta historia, fue desarrollado por la bióloga Lynn Margulis en los años 80 y 90, proporcionando en su amplia bibliografía muchos ejemplos del papel de los microorganimos como responsables del origen y mantenimiento de la vida.
2. Pregunta a tu profesor, la diferencia entre bacterias y arqueas. ¡Te sorprenderá! Las arqueas tienen un origen diferente a las bacterias, su pared celuar está compuesta por un proteoglicano y tienen funciones metabólicas diferentes a otros microorganismos. Se las considera las más antiguas y capaces de transformar cualquier lugar inhóspito, en un sitio apto para que la vida tenga lugar.
3. Busca información sobre el dimetilsulfoniopropionato, un gas que sintetizan los microorganismos. Compuesto de origen biológico responsable del «olor del océano» que sirve como regulador de la temperatura terrestres, haciendo de los microorganismos los responsbles del mantenimiento de las condiciones de vida del planeta.
4. Encuentra las propiedades de la membrana de la bacteria Pseudomonas syringae. Es algo único. Se ha descubierto que la bacteria Pseudomonas syringae tiene un gen que codifica para una proteína en su membrana externa, que permite que se adhieran moléculas de agua en una configuración específica, proporcionando una plantilla de condensación muy eficaz. Este microorganismo fue el primero que se descubrió que podía producir núcleos de hielo biológico. Debido a la menor presión de vapor sobre los cristales de hielo, las partículas congeladas

Glosario de palabras.

1. Gaia. Su origen es muy antiguo, pero tenemos datos de su uso en la Antigua Grecia, proviene de gea, que significa tierra. Palabras derivadas de ella son graia, anciana. Así que Gaia será, nuestra anciana “Madre Tierra”, el maravilloso y bello hogar en el que vivimos.
2. Panspermia. La palabra significa semillas de vida. Es la base de la astrobiología una rama de estudio que postula que la vida es inherente al Universo y viaja a través de él utilizando los cometas. Los responsables de su desarrollo son los artrofísicos el Dr. Hoyle y el Dr. Wickramasinghe.
3. Meteoritos. Fragmento de un cuerpo celeste que cae sobre un planeta.
4. Cometas. Cuerpo celeste constituido por polvo, rocas y partículas de hielo que orbita alrededor del Sol siguiendo diferentes trayectorias elípticas
5. Microorganismos. Ser vivo de tamaño diminuto, que está constituido por una única célula y cuya función es la biotranformación de compuestos químicos orgánicos e inorgánicos y lsintesis y transferencia de genes. Son los ladrillos de la vida.
6. Arqueas. Microorganismo perteneciente al grupo de las arqueobacterias, los microorganismos más antiguos de la Tierra, capaces de vivir en ambientes extremos.
7. Cianobacterias. Microorganismo procarionte, provisto de clorofila y otros pigmentos que le proporcionan un color verde azulado, capaz de realizar la fotosíntesis.
8. Fotosíntesis. Proceso metabólico específico de ciertas células de los organismos autótrofos, como las plantas verdes, por el que se sintetizan sustancias orgánicas gracias a la clorofila a partir de dióxido de carbono y agua, utilizando como fuente de energía la luz solar.
9. Atmósfera. Capa gaseosa que rodea la Tierra y otros cuerpos celestes.
10. Termostato. Que sirve para mantener automáticamente una determinada temperatura.
11. Magnético. Que tiene las propiedades de un imán.
12. Magnetosfera. Región exterior a la Tierra, a partir de unos 100 km de altura, en la que el magnetismo terrestre ejerce una acción predominante sobre las partículas ionizadas.
13. Rayos cósmicos. Los rayos cósmicos, también llamados radiación cósmica, son partículas subatómicas procedentes del espacio exterior cuya energía es muy elevada.
14. Brújula. Instrumento consistente en una caja en cuyo interior una aguja imantada gira sobre un eje y señala el norte magnético, que sirve para determinar las direcciones de la superficie terrestre.
15. Estromatolitos. Estructuras minerales bioconstruidas por los microorganismos.
16. Biotransformación. Proceso físico-químico llevado a cabo por seres vivos.
17. Organismos multicelulares. Formados por más de un tipo de células, con un plan embrionario común.
18. Ecosistemas. Sistema ecológico constituido por un medio y los seres vivos que habitan en él, así como por sus relaciones mutuas.

Para padres y profesores.

Gaia, la tierra de los microorganismos.

Por Almudena Zaragoza, Bióloga.

A menudo nos cuentan en la escuela, que la Tierra ya poseía antes de nuestra llegada, las condiciones necesarias para que la vida tuviese lugar, que de una manera azarosa, apareció el primer ser vivo en un caldo caliente, que se llamó «primigenio», es la famosa teoría de Oparin y Haldane, respaldada por el experimento de Miller y Urey (1). Como si de un acto divino se tratara, las moléculas inorgánicas se juntaron para dar vida a lo que la biología ortodoxa ha llamado LUCA (Last Universal Common Antecessor), el Antecesor Común Universal, un testigo de la evolución darwiniana de los más aptos, seleccionados por el «Creador» (2).

Sin embargo, este ser vivo hipotético jamás ha sido hallado y es extraño, porque todos los microorganismos que hemos encontrado en los fósiles más antiguos de nuestro planeta, los estromatolitos, aún viven hoy en día y están representados en el grupo de las archeas y las bacterias (3). Por lo que nuestro LUCA se queda en el plano de lo improbable, sobre todo porque la posibilidad de que por azar las moléculas inorgánicas diesen lugar al ser vivo más sencillo conocido, es casi cero (4), idéntico a tirar las piezas de un avión a un huracán y que caiga montado. Así que, aunque las viejas concepciones se hayan agarrado con fuerza a la educación que recibimos, el origen cósmico gana la probabilidad matemática.

Si es cierto que la vida puede generarse en las nebulosas del espacio y al caer en planetas hacer posible la vida, multiplicarse y diversificarse, para comenzar de nuevo otra vez el ciclo al morir el planeta, la posibilidad de lluvias de microorganismos en el momento de la formación del Sistema Solar hace 4000 millones de años, explicaría porqué hace 3800 millones de años, nuestro planeta estaba cargado hasta arriba de microorganismos (5), los mismos que viven aún en nuestros ecosistemas y muchos otros que pudieron ir llegando después y diversificarse, utilizando los genes disponibles en el medio, que los virus bacteriófagos contenían y que se encuentran del orden de 10³¹ de partículas estimadas como abundancia global (6). Sólo en el océano, hay del orden de 10⁸ fagos con cola por cada mililitro de agua de costa (7) y esto tiene una enorme importancia en el origen de la vida, que contaremos en detalle en el siguiente capítulo.

Las bacterias y arqueas hipertermófilas fueron los principales componentes de la actividad microbiana antigua, como lo evidencian los restos carbonáceos y los restos fragmentarios de las paredes celulares de los cherts negros hidrotermales de Warrawoona, parte del cratón de Pilbara, un yacimiento australiano del eón Arcaico (3600 -2700 millones de años), testigo del origen de la vida en Gaia (3). Las arqueas tienen la magnífica capacidad de vivir en ambientes extremos, donde la vida en general, no tendría cabida, por eso son los seres más antiguos que dejaron restos de actividad biológica rn las rocas de Gaia, porque fueron los encargados de transformar hábitats venenosos, en zonas confortables para la llegada de los que vinimos después.

Estudios recientes en la Estación Espacial Internacional, han informado de comunidades estables de arqueas en este ambiente espacial tan peculiar, con tendencia a crear biopelículas y formar esporas de resistencia, lo que ya nos da pistas de la increíble capacidad de generar vida y soportar todo tipo de condiciones, de este fascinante grupo de microorganismos (8).

Y es que fueron estos primeros microorganismos los que al llegar, modificaron las condiciones terrestres con la finalidad de que la vida pudiese tener cabida en nuestra amada Gaia. A la vez que las arqueas hacían sus incursiones en zonas peligrosas, las cianobacterias con su capacidad de utilizar el agua como donador de electrones y la luz del sol como fuente de energía, comenzaron a transformar nuestra atmósfera de reductora a oxigénica (9).

El oxígeno, por el que tiene querencia la vida, daría cabida a aparatos respiratorios y seres voladores como los murciélagos y las bellas aves en el futuro, pero primero, tenía que hacer de Gaia un lugar donde este gas vital fuese abundante. De hecho, es la molécula de O₂ la que haría posible los organismos multicelulares futuros, ya que la unión del O₂ asegura que sea lo suficientemente estable como para acumularse en una atmósfera planetaria, mientras que los gases halógenos con enlaces más débiles son demasiado reactivos para alcanzar una abundancia significativa. En consecuencia, una atmósfera rica en O₂ proporciona la mayor fuente de energía posible. Esta singularidad universal sugiere que el O₂ abundante es necesario para las altas demandas energéticas de la vida compleja en cualquier lugar (10). Es decir, para que existan organismos activamente móviles de una escala de tamaño mayor a la de una bacteria, con una anatomía especializada y diferenciada, comparable a todos los animales y plantas que conocemos, incluidos nosotros. ¡Qué sabia es la vida!

Cada vez me queda más claro que es un fenómeno inherente al Universo, porque controla desde la química inorgánica más básica, hasta la macromolecular más compleja, conoce todo lo que existe y como funciona. ¡Bellísimo!

Otra conclusión importante, debido a que la vida multicelular compleja necesita una atmósfera oxigénica, y ésta, depende de las cianobacterias con el agua como dador de electrones y el calor del sol como fuente de energía, se explicaría que no encontrásemos formas de vida multicelular diferentes a los microorganismos en cada planeta del cosmos.

La vida a nivel microscópico puede existir en cualquier lugar del Universo, por eso se ha encontrado en meteoritos (11). Hemos de recordar que nuestras arqueas extremófilas pueden vivir en titanio, arsénico, metano o cualquier otro compuesto imaginable, en calor y en frío, incluso con una presión de hasta 10 MPa (12). Así que, nuestros extraterrestres, no son hombrecitos verdes con ojos saltones, sino diminutos y sabios organismos unicelulares, a los que les debemos nuestra existencia. A diferencia de los microorganismos, animales y plantas necesitan agua y calor, y que su atmósfera sea transformada por las cianobacterias y sea respirable, lo que les brinde la energía oxigénica, necesaria para mantener esas estructuras tan complejas.

La vida sin duda, se encuentra en cada rincón del cosmos, sin embargo, la multicelularidad depende del ambiente y sus constructores, ellos tienen el manual de instrucciones para hacerla posible, si encuentran los parámetros adecuados. Es entonces, cuando transformarán todo planeta que se precie, en un paraíso verde y azul, como nuestra Gaia.

La densidad de gases como el nitrógeno, el metano, el amoniaco y el dióxido de carbono, están presentes en órdenes de magnitud muy por encima de lo esperado en un planeta con un 20 % de oxígeno libre en su atmósfera (The Gaian Perspective of Ecology. Sagan & Margulis, 1983), sólo posible gracias a la fotosíntesis. De hecho, erróneamente se piensa que son los bosques el pulmón de la Tierra, nada más lejos de la realidad, ya que los microorganismos del océano producen la mitad del oxígeno terrestre.

El papel de los microorganismos marinos en la biogeoquímica terrestre ha sido sin duda subestimado, hoy se sabe que los microorganismos del océano producen más de mil millones de toneladas de una sustancia llamada dimetilsulfoniopropionato (DMSP), que tiene un papel fundamental en la formación de las nubes y por tanto en el ciclo del agua, que hace que ésta llegue a ríos y lagos; y que es vital para la vida animal y vegetal del planeta (13).

Por si esto no fuese absolutamente alucinante, se ha descubierto que la bacteria Pseudomonas syringae tiene un gen que codifica para una proteína en su membrana externa, que permite que se adhieran moléculas de agua en una configuración específica, proporcionando una plantilla de condensación muy eficaz. Este microorganismo fue el primero que se descubrió que podía producir núcleos de hielo biológico, a una temperatura mayor de lo que solidifica el agua habitualmente. Debido a la menor presión de vapor sobre los cristales de hielo, las partículas congeladas pueden acumular agua y crecer hasta tamaños lo suficientemente grande como para iniciar el proceso de precipitación dentro de la nube (14). Desde luego estos microorganismos saben lo que hacen. Además de la atmósfera, crearon el ciclo del agua y llenaron nuestra Gaia de ríos y lagos. La vida ahora, podía colonizar la tierra firme y salir del agua ¡Apasionante!

Es también muy revelador, que nuestro microcosmos diese lugar a un sistema de regulación de la temperatura terrestre, propiciando un rango constante medio de entre 5 y 25 º C en nuestro planeta, temperaturas donde todos los procesos metabólicos de los seres vivos pueden tener lugar. Uno de los ciclos más interesantes y que se piensa es crucial para este termostato planetario, es la producción de metano (CH₄). El CH₄, es el hidrocarburo más abundante en la atmósfera, se origina en gran medida a partir de fuentes biogénicas vinculadas a un número cada vez mayor de organismos que se encuentran en ambientes óxicos y anóxicos. Tradicionalmente, el CH₄ biogénico se ha considerado como el producto final de la descomposición anóxica de la materia orgánica, por arqueas metanogénicas. Sin embargo, las plantas, los hongos, las algas y las cianobacterias pueden producir CH₄ en presencia de oxígeno (todas las células vivas probablemente poseen un mecanismo común de formación de CH₄). El metano, actúa como una manta que aísla la Tierra, absorbiendo energía y ralentizando la velocidad a la que el calor abandona el planeta (15). Así que, los microorganismos transformadores de Gaia, nos dotaron de un edredón calentito para poder vivir. Oxígeno, lluvia y un ambiente agradable para estar a gusto. ¡Parece un relato de ciencia ficción, superado por la realidad!

El océano y sus minúsculos moradores, también eliminan contínuamente dióxido de carbono atmosférico, dejándolo disponible para que, en presencia de luz solar el CO₂ se transforme en carbonato cálcico (CaCo₃) por un proceso denominado biomineralización, que también realizan las bacterias y otros seres vivos. Además de modelar la geología terrestre con rocas carbonatadas, este biomineral da lugar a las estructuras de animales complejos como las conchas de los caracoles, bivalbos, corales y hasta las cáscaras de los huevos de las gallinas (16).

Algunos microorganismos producen en su glicocalix, en la pared celular, compuestos químicos que permanecen en el ambiente natural incluso después de la muerte celular, mientras que otros acumulan compuestos inorgánicos como fosforitas, carbonatos, silicatos y óxidos de hierro y manganeso. Por lo que además del modelado geológico, estos biominerales producto del metabolismo de los microorganismos, quedan como estructuras químicas disponibles para otros procesos de vida (17). Pero quizás el fenómeno más impresionante descubierto recientemente, es que la aparición de la magnetosfera, capa protege a la Tierra de la llegada de radiación, especialmente del viento solar, y también de una parte de los rayos cósmicos, desviando las partículas cargadas hacia los polos magnéticos a través de mecanismos de reconexión electromagnética, lo que causa las auroras australes y boreales, apareció coincidiendo con la misma vida hace 3700 millones de años, según un estudio de las rocas del yacimiento de Isua, en Groenlandia (18).

Este hecho, combinado con la capacidad de las bacterias de detectar el campo magnético terrestre, gracias a nanopartículas de magnetita (Fe₃O₄), función que tienen también todo tipo de seres, como las aves migratorias o los tiburones marinos (19), y que hace posible la orientación dentro de Gaia y nos ayudaría a crear nuestra brújulas para poder viajar en el futuro, hace de las bacterias auténticos prodigios.

¿Pero cómo las bacterias podrían modular el campo magnético en la Tierra? La respuesta llegó de un laboratorio ruso, donde se utilizó recipiente experimental de vidrio que contenía bacterias de aguas subterráneas naturales para comprobar si éstas podían producir compuestos magnéticos, con el suficiente tamaño como para crear un campo magnético de dimensiones planetarias. De forma natural, las bacterias de hábitat acuáticos, dejan biominerales magnéticos producto de su metabolismo. Al hacerlo, éstas pequeñas partículas metálicas (las magnéticas) se atraen entre sí y se fusionan en cristales magnetizados más grandes, pero aún diminutos, de magnetita , goethita , hematita y otros minerales. Estos cristales ricos en hierro, se desplazan lentamente hacia abajo para posarse en el lecho marino, alineándose con el campo magnético de la Tierra a medida que son enterrados por otros sedimentos y finalmente quedan fijados en su lugar.

Los científicos llenaron este recipiente con agua, bacterias de aguas subterráneas, hierro, alimentos y arena. Dos años después, encontraron un lodo rojizo, visible aquí, que contenía cristales minerales lo suficientemente grandes como para conservar una firma magnética durante miles de millones de años (20).

El hecho de que los microorganismos puedan influir en las corrientes electromagnéticas del planeta a nival global, ha sido también objeto de estudio de un trabajo revolucionario publicado en este año 2024, en el que se reporta el descubrimiento de la transferencia de electrones extracelulares (EET) a través de nanocables microbianos, lo que impulsaría procesos ambientales a nivel global, en los que la bioenergía juega un papel fundamental para el mantenimiento de la vida en nuestro planeta (21).

Su participación en el ciclo del azufre, uno de los constituyentes básicos de los aminoácidos como la cisteína y metionina​, necesarios para la síntesis de proteínas presentes en todos los organismos vivos (22). Y el ciclo del nitógeno, componente vital para la clorofila de las plantas, el ATP o los ácidos nucleicos, se siguen amontonantdo a todas las funciones de sustento de la vida que realizan los microorganismos (23).

Es tan relevante el papel de asegurar que la vida esté en condiciones óptimas, que existen bacterias que se utilizan para un proceso denominado biorremediación, siendo capaces de degradar venenos como el mercurio (24), vertidos de crudo (25) y hasta las inmensas islas de plástico vertidas al mar, de hecho estas bacterias especializadas en hacer desaparecer el plástico humano y que viven en montañas de basura, se han denominado moradores de la plastisfera, un nuevo ecosistema, donde las bacterias también están ayudando degradar los deshechos humanos (26).

Gaia es, por tanto, un macroorganismo vivo, complejo y autoorganizado con capacidad de autorreparación y mantenimiento de las condiciones para que la vida multicelular tenga cabida y que indudablemente, ha sido modulada por los microorganismos que hace 3700 millones de años, hicieron posible que hoy estemos maravillándonos ante cada puesta de sol o cada sonido del océano, el vuelo de las aves, la belleza de los bosques y el olor de las flores.

La exuberante y maravillosa Gaia, nuestro hogar, tiene la más absoluta e impresionante belleza, gracias a unos estrategas diminutos, que contienen toda la sabiduría de la Naturaleza.

Quiero terminar con esta pregunta para los que hayáis llegado hasta el final de este capítulo, y que, a la vista de los datos presentados, es prácticamente obligatoria. ¿Cómo es posible que nuestra idea moderna de salud, incluya eliminar por completo a los seres que han creado y mantienen la vida en nuestro planeta? ¿Será el momento de disculparnos con Gaia, nuestra «Madre Tierra»? Dejo la respuesta al lector.

Referencias bibliográficas.

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10. David C. Catling, Christopher R. Glein, Kevin J. Zahnle, and Christopher P. McKay (2005). Why O2 Is Required by Complex Life on Habitable Planets and the Concept of Planetary «Oxygenation Time». Astrobiology Vol. 5 No. 3 https://doi.org/10.1089/ast.2005.5.415
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