Microorganismos extremófilos: cuando la vida desafía a la naturaleza (Parte 1)

Muchas veces hemos oído hablar de los deportes "extremos". Y en esos casos siempre pensamos en una persona sobre una bicicleta en un extraño recorrido de rámpas y tubos metálicos, o en los circuitos de patinetas o en alguna persona de dudosa integridad psicológica bajando una montaña a toda velocidad en una pendiente remota. Asociamos el término "extremo" a todo aquello en lo que nosotros no nos encontraríamos presentes. Por lo tanto, al decir "extremo" siempre nos referimos a una concepción propia de nosotros, un término antropocéntrico, la cual implica la ausencia de nosotros o todos los que son como nosotros (aeróbicos, mesófilos, autótrofos o heterótrofos, "humedos" y más calientes que el entorno). Pero ¿que hay de aquellos lugares que no respetan estas características "no extremas"?

Los ambientes extremos según el factor

Debido a nuestra excelente capacidad de clasificar y ordenar, somos capaces de identificar factores ambientales que nos darán el concepto de extremo. Pero antes de ingresar en esto deberíamos definir por qué un ambiente debería ser considerado extremo. En este caso pediremos ayuda a la ecología y nos basaremos en el concepto de "biodiversidad de especies". Si comparamos dos ambientes A y B que comparten varios factores pero difieren en alguno, la menor diversidad de especies en uno de dichos ambientes estará relacionado al estrés selectivo que genera el factor distintivo. Consideremos por ejemplo un curso de un río. En determinado momento en parte de ese río se produce una descarga de, digamos, un metal tóxico. Por lo tanto tenemos 2 ambientes: el río sin metal y el río con metal. Este es un ejemplo un tanto "extremo", pero cumplirá con la explicación. Si comparamos ambos ambientes veremos que la única diferencia es la presencia/ausencia del metal. Ahora supongamos que, previo a la presencia del metal, el río cuenta con 10 especies de bacterias, 8 especies de hongos, 15 de algas, 11 de artrópodos y 1 de peces. Luego de la contaminación el río cuenta con 5 especies de bacterias, 2 de hongos, 3 de algas,4 de artrópodos y 0 de peces. Se produjo una reducción de la biodiversidad en el ambiente.

Por lo tanto, cuando hablemos de "ambientes extremos" nos referiremos a aquellos ambientes en los cuales la biodiversidad se encuentre reducida respecto de otro ambiente "control" por el efecto de 1 o varios factores que afectan a dicho ambiente.

Gráfico en el que se muestra como la diversidad de especies variaría según las condiciones fisicoquímicas del ambiente. En el gráfico se destaca un "óptimo", o condiciones en las cuales la diversidad es máxima. Es importante destacar que esto es puramente conceptual e ilustrativo para el concepto de ambiente extremo.

Entonces, ¿qué factores afectan al ambiente de tal manera que lo clasifiquemos dentro de "extremo"? Los principales factores que utilizamos son los siguientes:

Temperatura: Nosotros, salvo algunas excepciones, vivimos en temperaturas medias que oscilan entre los 15 y 35 °C. Estas temperaturas son agradables para nosotros, ni muy frías ni muy cálidas. Aquellas personas que vivan en latitudes elevadas (tanto al sur como al norte) entenderán que temperaturas inferiores a los 15 grados centígrados son frías, mientras que aquellos que habiten en zonas ecuatoriales sabrán que, por sobre los 35 grados centígrados el ambiente es muy cálido. Las temperaturas por debajo de los 15 °C son consideradas bajas. Al acercarse la temperatura a los 0 °C la vida se ve restringida por el congelamiento del agua. Las células están compuestas aproximadamente en un 90% de agua. Al congelarse, el agua forma cristales que pueden comprometer la integridad de la membrana celular. Al contrario, las temperaturas superiores a los 40 °C atentan contra la estructura de las proteínas. Estas poseen un rango de temperatura de acción. Por sobre los 40 °C muchas proteínas pierden su estructura y, por ende, su función, causando la muerte del organismo.

Concentración molar: Más de una persona habrá oído "A pesar de estar rodeado de agua, el náufrago no puede tomar el agua del mar ya que moriría...". ¿Por qué sucedería algo como esto? Resulta ser que la concentración de solutos del mar (particularmente la sal) se encuentra por sobre el 3%. La célula, en cambio, posee una concentración de solutos internos que oscila en el 0,9%. Ahora bien, la membrana celular posee la capacidad de permitir el paso de algunos compuestos, entre ellos el agua, desde el interior de la célula (el citoplasma) al exterior y vice versa. Este proceso es más conocido como ósmosis. Si la concentración de solutos fuera de la célula es mayor que dentro de la célula, el agua tenderá a salir de la célula para equiparar las concentraciones. O sea, la célula se "deshidrata" (pierde agua). Al contrario, si la concentración de solutos fuera de la célula es menor que dentro el agua tenderá a ingresar a la célula, sobrehidratándola. En este último caso sucedería lo que a un globo que se le infla con demasiado aire. Estos casos son muy conocidos experimentalmente como medios hipo, iso e hipertónicos.

Células de glóbulos rojos en medio hipertónico (agua con sal al 3%), isotónico (solución fisiológica) e hipotónico (agua destilada).

Concentración de protones: Cuando miramos un vaso con agua estamos observando una molécula muy particular compuesta por 2 átomos de hidrógeno y 1 de oxígeno, comúnmente llamada H₂O. Sin embargo en el agua algunas de las moléculas están descompuestas y se forman protones (H⁺) y oxidrilos (OH^-). En condiciones normales tanto los protones como los oxidrilos se encuentran en igual concentración y el pH (concentración de protones) es igual a 7. A esta condición la llamamos neutralidad. Cuando el pH disminuye de 7 decimos que el líquido es ácido y cuando sube de 7 decimos que es básico. Así, el jugo de limón (pH 2,4 - 2,6) es ácido mientras que la lavandina (pH 13,0) es básica.

La escala de pH, su efecto en el ambiente y ejemplos cotideanos.

Disponibilidad de agua: Un factor fundamental para la vida es la presencia de agua en estado líquido. Como mencionamos anteriormente, una célula está compuesta por aproximadamente 90% de agua. Pero en muchos lugares de la tierra el agua no es un recurso fácilmente disponible. En general solemos pensar en un desierto, como el Sahara, donde el sol evapora el agua y la humedad del ambiente alcanza valores ¡por debajo del 3%! Sin embargo existen lugares aún más secos. Un ejemplo son las planicies heladas de la Antartida, donde, a pesar de la presencia de agua en estado sólido, la humedad del ambiente suele ser de ¡0%! Un lugar emblemático en este aspecto es Ridge A, donde las temperaturas logran alcanzar los -70 °C y el agua se encuentra exclusivamente en estado sólido.

Imagen de Ridge A donde se registra una temperatura de -42 °C.

Presión: En la superficie de la tierra y a la altura del mar la presión atmosférica es de 1 atmósfera. Esta presión permite varias cosas, entre ellas mantener un tenor de oxígeno al cual estamos habituados a vivir: 21% de oxígeno en la mezcla parcial de gases que conforman el aire del que respiramos. La presión esta relacionada con el peso de todo lo que está sobre nuestra cabeza. esto significa que nosotros soportamos el peso del aire que está sobre nosotros. Si cambiamos el aire por algo más denso, digamos agua, la presión aumentará en base a la densidad del compuesto. Esto implica un mayor peso sobre nosotros. Lo mismo sucede cuando nos sumergimos. Por cada 10 metros de agua la presión aumenta 1 atmósfera. Esto implica que al bajar 1000 metros aumentamos 100 veces la presión atmosférica y, por consiguiente, la presión por cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo. Esto dificulta muchos procesos biológicos, entre ellos la ósmosis.
Radiaciones: Por lo general, en las ciudades gracias a la capa de ozono y a la contaminación que generamos, la radiación que recibimos es principalmente luz y radiación infrarroja. Un espectro de la luz, la luz UV resulta filtrada. Y esto es muy bueno, ya que este tipo de luz posee características perjudiciales para la vida. La luz UV es capaz de generar radicales libres (moléculas o átomos desintegrados de su compuesto original con gran reactividad). Estos radicales libres se mueven a gran velocidad y erráticamente dentro de la célula causando daño mecánico. Particularmente son causantes de mutaciones inespecíficas que pueden causar daños tales como el cáncer (en organismos pluricelulares) o la muerte de la célula.

Espectro de luz desde UV a infrarrojo.

Concentración de oxígeno: A pesar de lo que la mayoría de la gente piensa, el oxígeno es un invento bastante novedoso en la vida. Hace aproximadamente 3500 millones de años los primeros microorganismos comenzaron a poblar los océanos. Su metabolismo era puramente quimiótrofo, obteniendo pequeñas cantidades de energía de la ruptura de compuestos químicos orgánicos o inorgánicos. Sin embargo, un pequeño grupo de cianobacterias comenzó a utilizar la energía del sol para fabricar moléculas orgánicas (azúcares y lípidos). Como subproducto del metabolismo las bacterias excretaban oxígeno, el cual era particularmente tóxico para muchos de los microorganismos existentes. Este nuevo metabolismo ocurrió hace unos 2500 millones de años (1000 millones luego de la aparición de la vida en la Tierra). A pesar de la presencia innegable de oxígeno a nuestro alrededor, este gas no es muy común. Por ejemplo, inmediatamente al ingresar al agua la concentración de oxígeno baja del 21% al 8%. En la tierra fértil, por debajo de los 10 centímetros la concentración de oxígeno es menos al 0,2%. Por lo tanto la anoxigenia es más común de lo que se cree.