Cuatro Ciénegas: el lugar que guarda la historia de la vida

Valeria Souza y Luis E. Eguiarte

Tomado de la ponencia presentada en el Encuentro ConCiencias por la Humanidad, en San Cristóbal de las Casas, Chiapas. 27 de diciembre de 2016

01Fig01La belleza iridiscente y multicolor de las pozas de Cuatro Ciénegas se debe principalmente a la presencia de una gran variedad de bacterias. Fotografía: David Jaramillo.Les queremos hablar de un lugar extraordinario que nos ha tocado estudiar, entender y proteger de la codicia y el mal manejo del agua. En este sitio extraordinario, hemos visto que la regla del juego para las comunidades de organismos vivos parece ser la cooperación y no la competencia. Ese lugar se llama Cuatro Ciénegas y se encuentra en el desierto de Coahuila. Es un valle en forma de mariposa, que se ve blanco desde el espacio por su riqueza en yeso. Lo interesante de este oasis es que, a pesar de ser uno de los sitios con menos nutrientes de que se tenga conocimiento (razón por la cual un biólogo esperaría que tuviera muy poca diversidad), probablemente es el sitio con mayor diversidad biológica del mundo. Para poder entender las causas de esta diversidad de organismos y de la cooperación entre sus comunidades, hay que empezar la historia por el principio. O, más bien, mil millones de años después del principio; hace unos 12 mil millones de años. En ese momento, al formarse las primeras galaxias, empezaron las explosiones de las primeras supernovas y así se formaron los elementos necesarios para la vida. El polvo de estrellas, producto de las explosiones cósmicas, es, junto con la luz, la materia prima de todo lo que somos.

     Entre los elementos esenciales que se formaron está el fósforo, que por ser de tamaño molecular pequeño debería ser abundante (mientras más pequeños, los elementos son más abundantes), pero en realidad es escaso en los planetas y por lo general se encuentra “enjaulado” entre átomos de calcio que lo estabilizan (ya que es muy explosivo; por eso se hacen cerillos o fósforos con él). También se formó el agua, la molécula clave para la vida, que es una de las moléculas más abundantes del universo (junto con el H2, el hidrógeno molecular) y por lo general se encuentra en forma de hielo en el polvo cósmico y en los cometas y meteoritos, en los cuales las partículas de agua congelada están llenas de materia orgánica formada con la energía de las estrellas.

01Fig02En las estrellas que se reflejan en las noches de Cuatro Ciénegas, podemos evocar el pasado estelar y meteórico de nuestro mundo. Fotografía: David Jaramillo.     Hace unos 5 mil millones de años, nuestro Sol acababa de nacer y el polvo de estrellas y el agua contenida en éste estaban formando planetas. En ese caótico inicio, nuestro planeta nació como el tercero del Sistema Solar. Entonces era más pequeño de lo que es actualmente, y había perdido casi toda su agua por evaporación. Sin embargo, como las órbitas del Sistema Solar no estaban del todo delimitadas, un grupo de astrónomos postuló la hipótesis de que un planetoide al que se ha llamado Theia colisionó con la joven Tierra, hace 4.31 mil millones de años. Theia dio origen a la Luna y nos regaló más agua al fusionarse con nuestro planeta; así, a partir del impacto, la Tierra obtuvo el doble de masa y un corazón radioactivo caliente; el corazón que mueve nuestro planeta, provoca terremotos y permite un constante flujo de materia entre el núcleo de metal fundido y la corteza, esa piel que nos contiene a todos los seres vivos.

Lluvia para la vida

Los datos fósiles nos indican que la vida tuvo que haber iniciado tan pronto como llovió. Las primeras lluvias crearon el mar ancestral de la Tierra. En ese primer mar, cerca del magma y en las arcillas de un planeta todavía caliente, evolucionó la vida. Aún no sabemos a ciencia cierta cómo sucedió, pero es muy posible que haya habido miles o millones de “experimentos de vida”, surgidos por la evolución química que se da cuando sobre las arcillas se acumulan moléculas cada vez más y más complejas, cargadas con la energía del magma y de los meteoritos. Gracias a la comparación de la información genética (ADN y ARN) de todos los seres vivos conocidos, actualmente sabemos que sólo uno de estos experimentos de vida sobrevivió. Ese experimento eligió al fósforo como elemento clave para su estructura, probablemente por su naturaleza explosiva. Sin fósforo no hay energía química (trifosfato de adenosina o ATP) ni información (ácido desoxirribonucléico o ADN y ácido ribonucleico o RNA), de modo que, para poder copiar y traducir esa información, este experimento utilizaba la energía contenida en su propia estructura. Al analizar los genes más antiguos, comunes a todos los seres, concluimos que esta semilla de vida ya tenía la información necesaria para comer y tener descendientes iguales a ella, y se alimentaba de los azúcares, aminoácidos y grasas de la sopa de meteoritos y cometas que enriquecían constantemente el mar de la Tierra primitiva (si lo dudan, volteen a ver al conejo en la luna, producto de esa época de fuerte bombardeo).

01Fig03En esta toma satelital se aprecia la forma de mariposa del Valle de Cuatro Ciénegas, así como la blancura del yeso del desierto y la forma de la sierra que atraviesa el valle. Fotografía: NASA Earth Observatory.     Un pedazo de grafito dentro de un cristal de circonio atrapado en una roca de hace 4.1 mil millones de años, proveniente de Sudáfrica, nos da la primera pista acerca de lo que pasó cuando la vida consumió los recursos acumulados en la sopa de cometas (ver 4.1 Billion Year Old Australian Zircon Contains Graphite of Biological Origin, Study Claims). La vida dejó su huella al usar alguno de los isótopos de los elementos de la vida (es decir, usando el mismo elemento pero con distinto número atómico), y esa huella demuestra que los seres vivos primigenios empezaron a utilizar (comer) otras formas de los elementos, no sólo los productos de la sopa original. En particular, comenzaron a tomar el carbono de la atmósfera (CO2) y a unirlo con el hidrógeno de las arcillas, para construir por sí mismos los primeros azúcares de origen totalmente “terrestre”. Estos organismos primitivos aún existen: son las bacterias llamadas metanógenas, las cuales forman un lodo negro que, aunque pestilente, representa a nuestros ancestros vivos más remotos.

     Poco tiempo después (unos cuantos millones de años, pero poco en términos geológicos) se comenzaron a armar las comunidades microbianas que construyeron los engranajes del “reloj de la vida”. Este reloj es la maquinaria de la cual dependemos todos, capaz de mover todos los elementos que nacen en las supernovas y de obtener de ellos la energía y todo lo necesario para construir las células. Lo más sorprendente en la historia de nuestro planeta no es que la vida se haya originado (lo cual es notable en sí mismo), sino que haya sobrevivido a los meteoritos que caían, a los volcanes que hacían erupción repentinamente, a los rayos cósmicos y a tener una cantidad de fósforo limitada. La vida en la Tierra es persistente, y al evolucionar creó todo tipo de estrategias para extraer fósforo de las rocas y reciclarlo de manera muy eficiente. A través del tiempo, los seres vivos se han ido adaptando por selección natural y han logrado sobrevivir a todos los retos que les pone el ambiente; así han desarrollado la capacidad de comer, crecer y tener descendencia. Esa es la fuerza fundamental que mueve la vida, tanto de forma cotidiana como a lo largo de las eras geológicas.

     En esos tiempos remotísimos en los que sólo existía la vida unicelular, bacteriana y microscópica, no sólo era difícil obtener fósforo, sino que no había oxígeno molecular (es decir, no había oxígeno “libre”; en la Tierra sólo existía el oxigeno como parte del agua) y, por lo tanto, el planeta no tenía una capa de ozono que protegiera a la vida de la luz ultravioleta (y esta luz puede ser letal, ya que destruye el material genético; el ADN). En esas circunstancias, los seres vivos se refugiaban debajo del agua, la cual era anaranjada por ser rica en sales y azufre. La Tierra también era anaranjada y estaba llena de neblina, pero una neblina que resultaría tóxica para nosotros, ya que era rica en compuestos de azufre (S), nitrógeno (N) y bióxido de carbono (CO2). Hay que recordar que, en un inicio, la Tierra era un mundo de volcanes; de hecho, no había continentes. Tuvieron que pasar 2 mil millones de años para que el agua atrapada en el magma saliera por los volcanes, formara nubes y causara las tormentas que, cual diluvio universal, dieron origen al mar profundo.

01Fig04En el valle aún hay pozas cuyo alto contenido de azufre les confiere una particular coloración anaranjada. Fotografía: David Jaramillo.     Por lo tanto, en el inicio, la vida habitaba los mares poco profundos, en comunidades de bacterias de colores ordenadas de manera vertical, por antigüedad y forma de obtener energía (ver Azufre: elemento incomprendido de la biogeoquímica planetaria y La larga marcha del oxígeno en la Tierra en Oikos= 16). Las capas de abajo eran las más antiguas y de crecimiento más lento (las metanógenas), después estaban las bacterias que comían azufre e hicieron las primeras fotosíntesis (eran cafés y transparentes, y también sabían tomar nitrógeno del aire y convertirlo en proteínas). Como estrategia de adaptación para sobrevivir a la luz ultravioleta, ciertas bacterias desarrollaron los pigmentos que permiten “rebotar” dicha luz, gracias a lo cual pudieron vivir en la superficie del mar. A partir de estos pigmentos que funcionaban como “paraguas” contra el sol, surgieron las primeras “antenas” solares que, en lugar de rebotar la luz, la capturaban para obtener energía química y fabricar más azúcares. Así nació la primera versión de la fotosíntesis, llamada fotosíntesis anoxigénica (es decir que no rompe el agua ni produce oxígeno) realizada por pigmentos púrpura y verde oscuro. Se le llama bacterias verdes del azufre y bacterias púrpuras del azufre porque la energía del Sol era capturada por este elemento, abundante en el planeta primitivo. Las primeras bacterias fotosintéticas utilizaban longitudes de onda de baja frecuencia, por lo que crecían lentamente, sin prisa, como todas las demás de su comunidad. Como era de esperarse, las bacterias que usaban la luz se acomodaron arriba de las que comían azufre e introdujeron otros “engranajes” en el “reloj”, ya que, a la vez que podían fabricar más azúcares y proteínas, también podían compartir estos productos con el resto de la comunidad a cambio de otros nutrientes que ellas no podían producir a partir de la luz del Sol.

     Pero no todo era “miel sobre hojuelas”; desde un inicio, la lucha por la comida podía volverse feroz. Las bacterias de una comunidad tenían que defender su alimento de los oportunistas que quisieran robarlo sin cooperar, por lo que surgió una gran cantidad de estrategias para defender lo propio de los extraños. Así nacieron los primeros antibióticos, sustancias que literalmente son capaces de disolver a sus enemigos y, de paso, robarles los elementos con los que están construidos; en particular su valioso fósforo.

01Fig05Los estromatolitos de Cuatro Ciénegas se enfrentan a las sequías y la degradación del ecosistema, lo que hace peligrar una historia de millones de años de vida. Fotografía: David Jaramillo.     Hace unos 3.5 mil millones de años aconteció algo totalmente nuevo. Por primera vez, evolucionó una bacteria que podía tolerar el oxígeno; posiblemente vivía cerca del magma, donde el calor rompía el agua y liberaba los dos gases que la conforman, y eso le permitió desarrollar resistencia a este elemento. Para las otras bacterias, el oxígeno en forma de gas es un veneno mortal, muy rápido y efectivo. Es probable que esa bacteria tuviera ya información para distinguir el día de la noche (las moléculas que detectan el ciclo circadiano son muy antiguas), para poder vivir de noche cerca del calor magmático y usar oxígeno, y de día subir (con burbujas de helio, cual globo) a buscar la luz del sol con su “antena” primitiva. Sin embargo, por razones que aún no entendemos, una sola de estas bacterias “viajeras” adquirió dos sistemas “mejorados” de antenas solares, que captaban luz de alta energía, una azul y otra verde. Estas antenas estaban acopladas en la membrana y funcionaban en una especie de relevos; una de ellas, además de capturar la energía del Sol, recibía la energía de la otra.

     Este evento, que podría haber sido minúsculo y local, causó una verdadera revolución planetaria, ya que la antena azul atrae tanta energía solar que rompe el agua a su alrededor y libera al oxígeno de sus enlaces con el hidrógeno. En sus inicios, esta innovadora mutante era una sola bacteria, pero, como el invento no la mató, tuvo una gran descendencia, ya que, además, esas dos antenas le permitían crecer más rápido que las demás. Pero aquí viene algo interesante: recordemos que el resto de la vida había estaba adecuado a un mundo sin oxígeno, por lo que las bacterias verde-azules podrían haber envenenado a todas las demás. Sin embargo, las comunidades se habían ensamblado capa por capa, tarea por tarea, en un orden dictado por la selección natural. Las cianobacterias; es decir, las bacterias que rompían el agua e inventaron la fotosíntesis verde-azul evolucionaron en la capa de arriba y las de abajo de ellas, las fotosintéticas púrpuras, podían atrapar ese veneno, unirlo al azufre y convertirlo en comida para las demás. La clave era —y sigue siendo— la cooperación: ninguna de estas bacterias puede vivir sola; todas se necesitan. Fue así como se armó el último engranaje de la vida y se aprendió a utilizar todos los elementos fundamentales de la vida: Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Fósforo y Azufre (CHONPS). Sin estos elementos no se podrían construir células. En estas comunidades surgieron, también por cooperación, los primeros protozoarios (amibas y paramecios), las primeras algas y los primeros hongos; éstos últimos similares, quizá, a las levaduras actuales. Sin embargo, no podían prosperar porque las condiciones del mar no les eran favorables, de modo que con el tiempo cambiaron su información genética, acumularon posibilidades de cambio y esperaron cientos de millones de años. Estas comunidades dejaron su huella fósil por todo el mundo, y por 3 mil millones de años fueron la única forma de vida que existió; les gustaban las playas y los mares poco profundos, ya que necesitaban agua, luz y azufre.

     Mientras tanto, los primeros continentes se elevaron y cambiaron la faz de la tierra, y se empezaron a mover junto con las placas tectónicas. Al mismo tiempo, el oxígeno que producían las bacterias fotosintéticas se fue escapando al aire burbuja por burbuja y, después de casi 2 mil millones de años, la atmósfera se empezó a poner azul a causa de este elemento gaseoso. Sin embargo, el mar seguía siendo rico en ácido sulfúrico, y era anaranjado porque aún no tenía oxígeno disuelto. Hasta que, hace alrededor de 800 millones de años, se rompió el primer super continente de la Tierra, llamado Rodinia, y eso les dio más playa a los estromatolitos, que es el nombre que se les da a estas comunidades bacterianas con capas de colores cuando se vuelven rocas (en estos estromatolitos, cuando están vivos, la capa superior está compuesta por bacterias vivas, y lo demás es roca formada por el calcio que éstas precipitan). Estos eventos ocasionaron un nuevo cambio climático y atmosférico global, ya que las bacterias fotosintéticas de todos colores usan el CO2 de la atmósfera para construir sus cuerpos.

01Fig06El Valle de Cuatro Ciénegas está en el noreste de México, en medio del estado de Coahuila. Imagen modificada de: https://goo.gl/cJ12kr
     Al disminuir la cantidad de CO2 en la atmósfera, también descendió la temperatura de todo el planeta, debido a que este compuesto es un gas invernadero. El mundo se congeló y los glaciares, al moverse poco a poco, rasparon las rocas y liberaron el fósforo encerrado en ellas. Después comenzó a descongelarse y el agua del deshielo, rica en oxígeno y fósforo, llegó a las playas; justo lo que necesitaban las algas y otros organismos microscópicos más complejos que las bacterias, como los protistas (los ancestros unicelulares de los animales) y los hongos primitivos. Estos primeros organismos complejos pudieron capturar más CO2 en sus cuerpos, por lo que comenzaron a crecer rápidamente. Con este uso del CO2, el planeta se volvió a enfriar y de nuevo se congelaron los continentes; más oxígeno y fósforo quedaron capturados en el mar, y esto precipitó aún más el crecimiento de las algas microscópicas.

     Al final de estos ciclos de congelamiento y deshielo, el mar se convirtió en los océanos azules que conocemos actualmente, en los cuales evolucionaron los primeros organismos pluricelulares, tanto los que sobreviven hasta nuestros días (animales, plantas, hongos) como otros linajes ya extintos. Estos organismos complejos usan oxígeno para respirar (las plantas que respiran de noche también lo utilizan) y requieren mucho fósforo para crecer.

     Paradójicamente, gracias a su propia actividad, las bacterias que forman estromatolitos vieron el fin de su era, ya que los primeros animales herbívoros se los comieron y las algas que competían con ellos les taparon el sol y usaron el fósforo que necesitaban. Todavía se pueden formar estromatolitos si las condiciones ambientales son propicias; es decir, si hay azufre, sol, agua y, sobre todo, si no pueden crecer las algas, pero esto es relativamente raro.

     Sin embargo, existe un solo lugar en el mundo en el que subsistieron los descendientes directos de toda esta historia; los formadores de comunidades de colores que transformaron a este planeta en un planeta azul. Este lugar es, precisamente, el oasis extraordinario de Cuatro Ciénegas. En realidad, aprendimos mucho de la historia que les acabamos de contar gracias a los estudios que hemos hecho con las comunidades microbianas de este sitio. Estas comunidades forman tapetes de colores que se convierten en estromatolitos (cuando los tapetes se vuelven duros por precipitar carbonato de calcio), y viven en aguas similares a las de los mares del Precámbrico (la era de los estromatolitos): pobres en fósforo, ricas en minerales, con una fuente profunda de magma (que, al levantar la sierra, formó el “cuerpo” del valle con forma de mariposa) y, por lo tanto, de azufre. Lo que es extraordinario es que en Cuatro Ciénegas se ha conservado por cientos de millones de años esta “ingeniería original” que nos muestra los engranes del “reloj de la vida”, así como todas sus armas de batalla (antibióticos y toxinas) contra los organismos que no evolucionaron con ellos; es decir, las bacterias sedientas de nutrientes que nos enferman (éstas, en lugar de ser cooperativas, quieren quedarse todos los nutrientes para sí mismas). Como ya mencionamos al principio, este es, posiblemente, el lugar más biodiverso del mundo, principalmente en cuanto a especies microscópicas (ya que ha tenido mucho tiempo para acumular especies), y sin duda es un sitio con gran potencial para el desarrollo de fármacos y de biotecnología sustentable.

     En la actualidad se trabaja en esta clase de desarrollo y, dado que México forma parte del Protocolo de Nagoya, cualquier beneficio que se obtenga a partir del material genético de cualquier criatura de Cuatro Ciénegas, tanto aquí como en el extranjero, debe compartirse con el país y con la comunidad que brinda acceso a estos organismos.

     Nosotros podemos decir con tranquilidad que Cuatro Ciénegas es una especie de “arca de Noé” porque hemos secuenciado el ADN de sus comunidades y de las bacterias que podemos cultivar (es decir, sólo hemos secuenciado el 1% de su diversidad). Al comparar este ADN con el de sus parientes modernos más cercanos, encontramos que estas bacterias se separaron de sus hermanos del mar hace millones de años. Es como si únicamente en este valle en forma de mariposa se hubiera guardado la historia original o el “guión" para vivir con escasez de fósforo. Sus aguas son las más pobres en este elemento que se conocen, mientras que en el resto del mundo la vida se volvió “golosa” y desperdiciadora del elemento fundamental.

01Fig07Investigadores y alumnos del Laboratorio de Evolución Molecular y Experimental del Instituto de Ecología de la UNAM haciendo trabajo de campo en el Valle de Cuatro Ciénegas. Fotografía: David Jaramillo.     Más de 150 científicos, principalmente mexicanos, hemos estudiado juntos Cuatro Ciénegas, pero también como comunidad tenemos una lucha contra el tiempo y contra la ignorancia, ya que este paraíso que sobrevivió a todo está en peligro de perderse si se secan sus pozas, que se usan para regar alfalfa en el desierto por medio de inundación.

     Los científicos que tienen el papel más crucial en Cuatro Ciénegas son los jóvenes del Centro de Bachillerato Tecnológico Agropecuario número 22 (CBTA 22). Estos jóvenes tienen un laboratorio de biología molecular y cuentan con las herramientas necesarias para entender los secretos del oasis en el que nacieron; también están aprendiendo agricultura sustentable y estudian la forma de reciclar especies invasoras de peces y convertirlas en alimento para los marranos. Queremos que sean los niños y los jóvenes de este lugar extraordinario quienes salven el paraíso, ya que pueden darle un valor agregado enorme a sus pozas color azul Caribe si son ellos mismos quienes desarrollan la biotecnología, las soluciones sustentables para la agricultura y los fármacos. Esto nos puede sacar de este atolladero dominado por los monopolios biotecnológicos internacionales.

     Tenemos razones para ver ese futuro posible. Varios alumnos de este bachillerato ya están afinando ese conocimiento en distintas universidades, y uno de ellos está haciendo su doctorado estudiando un linaje de bacterias que parece tener el potencial para combatir el cáncer y producir cientos de antibióticos. Queremos darles una universidad con posgrado y llevar maestros de todo el mundo para que trabajen con ellos en todas esas posibilidades. Algo que ya se hace en el CBTA 22 es que todos los investigadores que van a estudiar las pozas y sus misterios tienen que explicarles a los jóvenes qué es lo que están haciendo y por qué lo hacen. Gracias a este formidable trabajo tenemos el inventario con el nombre y las semejanzas entre las distintas especies de seres vivos del lugar, desde los virus hasta los coyotes, pasando por los hongos, las bacterias, los protozoarios, las ranas, los peces, las tortugas, los caracolitos y los crustáceos, todos ellos únicos de este sitio extraordinario.

     En el camino estamos tratando de transformar conciencias, que son la base para salvar este oasis primigenio. Los niños son un gran agente transformador del futuro, y para algunos de nosotros son una de las razones que nos alientan a ser mejores. Empezamos a trabajar con los más pequeños en 2007, cuando inició un proyecto de educación ambiental a través del arte; en éste se concibe el arte como una manera de entender el entorno y como conciencia de la naturaleza. Los niños que pasaron por este sencillo programa en la primaria llegaron mucho más dispuestos a explorar y aprender cosas nuevas en el bachillerato que los jóvenes con los que empezamos a trabajar en 2004. Ahora los maestros y la SEP tienen el reto de seguirles el paso a sus alumnos. En el presente, los jóvenes del CBTA 22 son maestros de ecología, sustentabilidad y ajedrez de los chicos de secundaria. Para nosotros, lo más importante de este “experimento social” es que estos niños están cambiando a su vez la conciencia ecológica de sus padres y sus abuelos. El cambio se está dando y, como siempre, queremos más.

01Fig08Mapa de los procesos básicos que componen un ciclo hidrológico. Imagen modificada de: https://goo.gl/oMYR7g     Durante seis años, se llevó a cabo el inventario total de la vida en el sistema hidrológico del Churince, una representativa poza de Cuatro Ciénegas, con la finalidad de entender cómo funciona este “todo” antes de que desaparezca por la sobreexplotación del acuífero, y de intentar salvarlo en el camino. Lo que hemos encontrado hasta ahora es que se trata de un ecosistema marino en su origen, que conservó viva la huella de ese pasado marino gracias a la cohesión de sus comunidades. Es por eso que las comunidades de bacterias son locales y diferentes entre sí, aunque se encuentren a tan solo unos metros de distancia unas de otras. Dentro de cada comunidad microbiana todo está tan perfectamente ordenado y sincronizado que los forasteros no son bienvenidos; no conocen las reglas y por lo tanto se convierten en comida. Por eso estos organismos resistieron al movimiento de los continentes y a la extinción de los dinosaurios y de casi toda la vida terrestre en el Cretácico. Sobrevivieron al levantamiento del altiplano central y de las sierras a su alrededor, sobrevivieron en el desierto bajo el agua y bajo el sol, como una isla de vida ancestral rodeada por un mundo rico en nutrientes. Han sobrevivido a todo, menos al manejo irracional del agua y a la codicia humana. Por eso es que estamos haciendo una revolución de conciencias, dándole el arte y la ciencia a los dueños de la tierra, a los dueños del futuro.

     Por último, cabe decir que sería maravilloso utilizar la lección de coexistencia y cooperación de estas humildes pero persistentes comunidades microbianas al momento de pensar en nuestras sociedades y en nuestra economía. Retomemos la idea de coexistencia y cooperación en estos momentos críticos para el planeta y para la humanidad. Retomemos las lecciones de la vida al borde del abismo y trabajemos juntos por el futuro.

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