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domingo, 28 de febrero de 2010

Microbiología "Avatar" Style

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Bueno, pues yo también voy a hablar de la película "Avatar" que nunca viene mal que te aumente el número de visitantes.

Sin entrar en el aspecto cinematográfico y artístico, hay varios blogs y páginas que se han dedicado a las facetas científicas de dicha película. La mayor parte de ellos lidian con los aspectos de la física, aunque también los hay que han tratado los aspectos biológicos y evolutivos. La verdad es que si uno se pone en plan biofriki hay muchas cosas que discutir: ¿Por qué los Na'vi son azules? ¿Cómo surgió el puerto USB biológico? ¿Por qué los Na'vi son humanoides con cuatro extremidades mientras que el resto de la fauna de Pandora tienen seis? etc. Pero desde mi punto de vista, el principal hecho biológico es que el planeta Pandora es una recreación de la hipótesis Gaia.




No es la primera vez que dicha hipótesis ha aparecido en la Ciencia-Ficción. En la obra "Mundo Anillo" se habla por primera vez del mundo de los girasoles, una variación del "mundo de las margaritas" postulado por Lovelock. También Asimov y Orson Scott Card han utilizado la hipótesis Gaia en sus obras. Personalmente opino que Gaia aún debe de considerarse como una "hipótesis" y que todavía faltan observaciones y, sobre todo, experimentos que permitan coroborrarla y así considerarla una "teoría". De hecho, dicha hipótesis no casa muy bien con la actual teoría evolutiva y con otros datos geológicos. Lo bueno que tiene la hipótesis Gaia es ha permitido considerar un enfoque más holístico en el abordaje de algunos problemas biológicos. Lo malo, que muchos se la han tomado como una especie de religión debido a su carácter teleológico.



Pandora (fuente: Mundo Troodon)



James Cameron imagina que toda la biosfera de Pandora puede interconectarse entre sí. En el caso de la fauna todos los animales parecen poseer unas extensiones con un puerto USB biológico en su interior. Los leonopteros, los prolemures o los tanatores tienen dos de esas conexiones, pero los Na'vis solo poseen una en forma de estilosa trenza. La flora en cambio presenta una especie de micorrizas bioluminiscentes para efectuar dicha conexión. Llegado el caso, la conexión es tan efectiva que la biosfera de Pandora se comporta como un mega-superorganismo capaz de actuar frente a amenazas externas como los terrícolas.



El famoso puerto USB biológico que permite conectarse a toda la biosfera de Pandora (fuente: Mundo Troodon)


El comportamiento de Pandora como superorganismo es bastante diferente al de los superorganismos terrícolas. Los ejemplos típicos de superorganismo terrícola son los hormigueros y las colmenas. En ellos la colonia lo es todo y los individuos que forman parte de ella tienen sus tareas asignadas desde su nacimiento. Hay obreras que trabajan por la colonia, soldados que defienden la colonia y reinas que reproducen la colonia. Pero, salvo en películas como "Hormigaz" o "Bichos", nunca veremos a las obreras pelearse entre sí o con los soldados y las reinas. En cambio, en Pandora, cada ser vivo se comporta de manera darwiniana (comer o ser comido, dejar descendencia) durante casi toda la película, y sólo cooperan cuando el planeta se siente amenazado. En ese sentido, el superorganismo Pandora se comporta de forma parecida a una sociedad humana. Los miembros de una misma sociedad pueden competir por los recursos, pero pueden cooperar si se sienten amenazados.




Un superorganismo terrícola en acción. Fotograma de la película "Hormigaz" (Antz) (fuente: Filmscliponline)


Bueno, el caso es que parece haberse encontrado un nuevo tipo de superorganismo en el planeta Tierra. Lars Peter Nielsen y su grupo de la Universidad de Aarhus en Dinamarca han encontrado que las comunidades de bacterias oxidadoras del azufre que se encuentran en el interior de los sedimentos marinos parecen estar conectadas por una red de nanocables proteicos con las comunidades aeróbicas de la superficie de dichos sedimentos. Esos filamentos permitirían el transporte de electrones entre las diferentes comunidades microbianas a través de la distancia, lo que permitiría que los microorganismos vivan en una simbiosis eléctrica. Según Nielsen, el descubrimiento "es casi mágico... pero no creo que haya mucho "espíritu" en la red que tenemos aquí. Puede ser tan sólo energía. Pero hay una conexión."

Como en otras ocasiones en la historia de la ciencia, el descubrimiento se ha hecho casi por casualidad. El grupo de Nielsen estaba interesado en el estudio de la actividad química de las bacterias del azufre que se encuentran en los fondos de la bahía de Aarhus. Así que establecieron un control negativo que consistía en un matraz conteniendo agua marina y sedimentos libres de bacterias del azufre para compararlo con matraces que contenían a dichas bacterias. Una vez acabado el experimento los matraces se dejaron apartados. Al cabo de unas semanas notaron que los sedimentos en dichos matraces cambiaban de color, lo que indicaba que había una actividad química en ellos.



El profesor Lars Peter Nielsen. A la derecha puede verse el aspecto de los sedimentos estudiados. El aspecto negruzco del fondo es debido a la presencia de materia orgánica y de sulfuros metálicos. (fuente: Wired)


Los investigadores notaron que si cambiaban los niveles de oxígeno presentes en la superficie del sedimento al cabo de pocos minutos se producía una fluctuación en la actividad microbiana de las capas inferiores del mismo. La distancia entre la superficie y el fondo era tan sólo de un par de centímetros. No parece mucho para nosotros, pero para un microorganismo del tamaño de una micra sería una distancia equivalente a 20 kilómetros. La distancia era demasiado grande para que dichos cambios se explicaran debido a un transporte químico o a una difusión molecular. Las fluctuaciones eran debidas a otra causa.

Se especuló sobre la posibilidad de que hubiera una conexión entre las comunidades bacterianas presentes entre las distintas capas del sedimento. Cualquier cosa que afectara a los microorganismos aerobios de la superficie sedimentaria debería afectar a los microorganismos del azufre que se encontraran debajo. Hasta ahí, nada que no se haya visto antes en ecología microbiana. Pero la rapidez de la conexión sólo se explicaba si ésta era de naturaleza eléctrica. Dicha hipótesis fue propuesta hace algún tiempo, pero es la primera vez que se ha encontrado una evidencia experimental.


Microfotografía electrónica mostrando bacterias de la especie Shewanella onediensis conectadas por nanocables. Se está intentando utilizar dicha propiedad para la construcción de biobaterias (fuente).




Nielsen y su grupo han publicado sus resultados en un reciente artículo de la revista Nature. Incluso han merecido un comentario por parte del equipo editorial. Allí describen como el consumo de oxígeno en la superficie del sedimento se puede acoplar mediante una corriente eléctrica con la oxidación del sulfuro de hidrógeno (H2S) y de compuestos de carbono orgánico presentes en los sedimentos profundos anóxicos. Estaríamos delante de una gran geobiobatería eléctrica. Han encontrado que más del 40% del consumo de oxígeno que sucede en la superficie se debe a los electrones transportados desde la zona anóxica. Es decir, en este sistema las capas superiores "respiran" por el todo, mientras que las capas inferiores "comen" por el todo.


En el esquema se representa como funcionaría la geobiobatería mediante el acoplamiento de unas reacciones de oxidación-reducción. En las profundidades anóxicas tendríamos comunidades microbianas que oxidarían el sulfuro de hidrógeno. Los electrones generados en dicha reacción viajarían a traves de los nanocables hasta las comunidades microbianas de la superficie aeróbica. Los electrones reducirían las moléculas de oxígeno que junto con los protones (H+) generarían agua como producto final, (fuente).



Aún falta por confirmar una cosa. ¿Qué material transporta a los electrones? Los autores proponen que el transporte se realiza gracias a unos nanocables formados por proteínas y pirita (Fe2S), pero aunque estos nanocables se han descrito para Geobacter, en este caso no se han observado. Lo cierto es que si se confirma esta observación se habrá añadido una nueva dimensión al entendimiento de los ciclos biogeoquímicos y de la ecología microbiana.


Bibliografía:

ResearchBlogging.org

Nielsen, L., Risgaard-Petersen, N., Fossing, H., Christensen, P., & Sayama, M. (2010). Electric currents couple spatially separated biogeochemical processes in marine sediment Nature, 463 (7284), 1071-1074 DOI: 10.1038/nature08790

Sanderson, K. (2010). Bacteria buzzing in the seabed Nature DOI: 10.1038/news.2010.90

Audios 1 y 2 en "El podcast del microbio"