Silvia Pajares y Valeria Souza

Los microorganismos, componentes imprescindibles de los ecosistemas

La microbiología ecológica es una rama de la ciencia relativamente joven, ya que apenas lleva 30 años describiendo las comunidades microbianas y entendiendo su complejidad. En este tiempo se ha descubierto que estos pequeños seres no sólo 05Fig1 Tapeteson los organismos más antiguos, diversos y abundantes de la Tierra, sino que además sin ellos no podríamos vivir, porque de su metabolismo depende la salud de nuestro cuerpo y del planeta, al ser los responsables directos de procesos clave en los ciclos biogeoquímicos. La microbiología es una de las áreas de la biología  con mayor proyección en el siglo XXI, no sólo por razones médicas, sino por el papel de los microorganismos en los ecosistemas, incluyendo, quizás, la solución al calentamiento global. En otras palabras: ¡la vida en el planeta depende de los microorganismos! Por suerte, estos organismos unicelulares no están sujetos a presiones políticas o mercantilistas, simplemente siguen las reglas que existían cuando poblaron la Tierra en el “érase una vez…”  hace miles de millones de años.

     Pero veamos el papel funcional de los microbios en los ecosistemas. Hace poco más de 100 años se descubrió que estos seres "invisibles” son el motor de la vida en la Tierra: se encargan del reciclaje de una gran variedad de elementos y compuestos químicos esenciales para la vida, específicamente del carbono, nitrógeno, azufre, y oxígeno, que son compuestos que los organismos superiores no pueden usar directamente. También son responsables de la degradación de compuestos tóxicos derivados de la actividad humana, como los bifenilos policlorados (PCB, utilizados como aislantes en muchos procesos industriales), dioxinas, pesticidas, etc. Sin estas actividades microbianas, la vida en la Tierra no sería posible. La basura y los desperdicios nos inundarían si los microorganismos no acelerasen la descomposición de las plantas y animales muertos. Además, los microorganismos desempeñan un papel fundamental en el reciclado de los gases atmosféricos, como los responsables del efecto invernadero, que, paradójicamente, por un lado sustentan la vida en nuestro planeta pero, por otro, debido al aumento global de la temperatura ponen en peligro la propia vida.

Influencia recíproca entre el cambio climático y los microorganismos

El calentamiento global está asociado a las emisiones de bióxido de carbono (CO2), resultado de la quema de combustibles fósiles por parte del hombre o la respiración aerobia de la muy abundante vida en nuestro planeta. Sin embargo hay otros gases cuyo impacto en el efecto invernadero es mucho más importante que el del CO2. Uno de ellos es el metano, producto del metabolismo de ciertos microorganismos al digerir la materia orgánica en ausencia de oxígeno. El otro es el óxido nitroso, que liberan las bacterias del suelo cuando hay un exceso de fertilizantes nitrogenados en el ambiente. Estos son ejemplos claros del papel de los microorganismos en la emisión de gases de efecto invernadero.

     El aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero en los últimos 150 años, derivado de actividades humanas, está produciendo importantes modificaciones en el clima. Y estos cambios están alterando la composición y el funcionamiento de los ecosistemas, así como los bienes y servicios que prestan. Sin embargo, debido a que los modelos climáticos no han tomado en cuenta el papel de los microorganismos -- tanto en la captura de CO2 como en la producción de metano u óxido nitroso --, se reduce su capacidad de predicción. Es por esto que el desarrollo de técnicas moleculares, que nos ayudan a conocer la diversidad, e incluso la abundancia de gremios funcionales particulares de microorganismos en cualquier ecosistema, es fundamental para entender el destino del planeta y posiblemente cambiar su curso mediante estrategias para mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero.

     Aunque no sabemos cuáles son las consecuencias en las comunidades microbianas del cambio climático, se ha estimado que el aumento de la temperatura puede mover el rango epidemiológico de varias enfermedades asociadas a climas más cálidos. Asimismo, la superficie de los océanos, por el sólo hecho de aumentar su temperatura en un par de grados, se convierte en caldo de cultivo en el que pueden proliferar distintas bacterias, incluyendo algunas tan peligrosas como Vibrio -- que es la responsable de intoxicaciones alimentarias, gastroenteritis y el cólera -- o cianobacterias, un tipo de bacterias fotosintéticas, que liberan toxinas que afectan a la salud humana, causando daños en el sistema nervioso, dermatitis o alergias.

     El calentamiento del planeta también está produciendo cambios importantes en las comunidades que forman los tapetes microbianos del Ártico y la Antártida. Estos tapetes son las comunidades biológicas más importantes en las zonas polares,  porque acumulan la mayor diversidad de organismos y cubren extensas zonas libres de hielo durante los cortos veranos polares. El aumento de la temperatura está ocasionando un aumento de cianobacterias productoras de toxinas, que destruyen los tapetes. Los efectos de estas toxinas son letales para los organismos que habitan estos microecosistemas: virus, otras bacterias, protozoos, hongos, gusanos nemátodos, todos ellos microscópicos, que se alimentan de las cianobacterias y desempeñan un papel crucial en los ciclos biogeoquímicos globales. Las consecuencias del cambio climático sobre estas comunidades microbianas pueden tener importantes repercusiones sobre el funcionamiento de otras zonas del planeta y en la regulación del clima de la Tierra.

Pequeños organismos, ¿grandes soluciones?

Hay dos claros ejemplos de cómo estos pequeños seres nos ayudan a combatir el cambio climático. Uno de ellos son ciertos microorganismos planctónicos (que se encuentran en la superficie de los océanos), que participan en la regulación de la temperatura del planeta liberando al aire un compuesto orgánico: el sulfuro de dimetilo, que en adelante llamaremos DMS, responsable también del característico olor a mar. En la atmósfera, la radiación ultravioleta descompone el DMS, formando aerosoles que se acumulan en las nubes, las cuales impiden que llegue la radiación a la superficie terrestre. El resultado es una 05Fig2 Bact DMSdisminución de la temperatura atmosférica de 3-4 ºC. Pero ¿por qué las bacterias liberan DMS? En las algas unicelulares del plancton hay propionato de dimetilsulfonio (DMSP), que es un compuesto que usan las algas como regulador osmótico frente a la sal del agua de mar. Cuando las algas mueren liberan el DMSP, que es aprovechado por las bacterias para obtener energía y nutrientes. Lo que sobra es el DMS, que va a la atmósfera, siempre y cuando el ecosistema marino este sano. Cuando hay un exceso de materia orgánica, por ejemplo la que proviene de los ríos que arrastran residuos -- como fertilizantes, desechos industriales y aguas fecales --, se generan zonas muertas donde se produce mucho CO2 y no se libera DMS.

     Por otra parte, como respuesta a la producción de metano, están las bacterias metanótrofas, que lo consumen en forma natural y que son abundantes en muchos ecosistemas, incluyendo la superficie de las hojas. Sin duda, sino existieran estas bacterias, el metano presente en el fondo del mar y de los pantanos saldría a la superficie, causando un cambio climático inmediato, seguramente muy superior al que está causando la actividad humana desde hace más de un siglo.

La pérdida de microorganismos en Cuatro Ciénegas

El valle de Cuatro Ciénegas se localiza en Coahuila y es considerado uno de los humedales más importantes de México y del mundo. El valor de Cuatro Ciénegas está en su diversidad biológica y en la historia geológica y evolutiva que nos cuenta, ya que05Fig3 Estromatolitos en sus acuíferos, en medio del desierto, habitan microorganismos marinos que han sobrevivido a todas las grandes extinciones. Para nosotras, Cuatro Ciénegas es como una especie de “máquina del tiempo” para “viajar” al Jurásico y al Precámbrico y para entender el planeta que habitamos.

     En este valle se han mantenido vivos y activos los organismos que transformaron a nuestro planeta en uno habitable y que llevan reciclando los átomos que nos dan la vida desde hace millones de años. Estos organismos forman comunidades bacterianas complejas, tanto tapetes microbianos como estromatolitos — que son tapetes bacterianos endurecidos, parecidos en su forma a los arrecifes —, que son similares a los fósiles más antiguos que se han encontrado.

     Al principio de la vida en la Tierra, estos estromatolitos eran comunidades autosuficientes capaces de realizar las tareas fundamentales para el sostenimiento de la vida, los ciclos biogeoquímicos, para los que ahora se requiere la participación del planeta en su totalidad. Es muy difícil poner al planeta en una pecera y simular las condiciones ambientales del futuro y del pasado. Pero sí podemos meter un paquete microbiano en una pecera, generar estromatolitos sintéticos y, reproduciendo ciertas05Fig4 Mesocosmos condiciones, poder responder a la pregunta de cómo fue el funcionamiento del planeta en el pasado y cómo sería en el futuro si aumentara la temperatura o la radiación ultravioleta. Con las herramientas de biología molecular hemos estudiado con cuidado los cambios en nuestras comunidades experimentales como respuesta a estas presiones ambientales y, de este modo, poder buscar soluciones metabólicas para poder desacelerar, y tal vez revertir, el desastre ambiental que estamos por atestiguar en la primera mitad el siglo XXI. 

      Nuestros resultados sugieren que el impacto a largo plazo de estas presiones ambientales produce una fuerte disminución de la diversidad de las comunidades microbianas de este antiguo ecosistema. Por lo tanto, es posible que el oasis de Cuatro Ciénegas sea más frágil a los cambios ambientales inducidos por el hombre de lo que se esperaba. Los interesados en estos resultados experimentales, los invitamos a consultar los artículos científicos que citamos en la sección “Para saber más”.

Para saber más

  • Pajares, S., G. Bonilla-Rosso, M. Travisano, L. E. Eguiarte y V. Souza. 2012. Mesocosms of aquatic bacterial communities from the Cuatro Cienegas basin (Mexico): a tool to test bacterial community response to environmental stress. Microbial Ecology 64: 346-358.
  • Souza, V., J. Siefert, A. E. Escalante, J. J. Elser y L. E. Eguiarte. 2012. The Cuatro Cienegas Basin in Coahuila, Mexico: an astrobiological Precambrian park. Astrobiology 12, 641-647.
  • Peimbert, M., L. D. Alcaraz, I. Hernandez, G. Olmedo, F. García-Oliva, L. Segovia, G. Bonilla, L. E. Eguiarte y V. Souza. 2012.  Comparative metagenomics of two microbial mats at Cuatro Cienegas Basin I: Ancient lesson on how to cope in an environment under severe environmental stress. Astrobiology. 12, 648-658. ranita20