Por Jacob Valdivieso Ojeda y Miguel Ángel Huerta Díaz 

El planeta que habitamos y que llamamos Tierra se formó a partir de la condensación de gases y polvos interestelares hace aproximadamente 4 600 millones de años (Sagan, 2001). Sabemos por la evidencia de fósiles en rocas muy antiguas que el origen de la vida se produjo poco tiempo después (en términos geológicos), hace aproximadamente 3 700 millones de años, en mares poco profundos y océanos de la Tierra primitiva (Nutman et al., 2016). 

Durante ese tiempo, las condiciones ambientales en el planeta Tierra eran muy diferentes a las actuales: la atmósfera y el océano primitivo carecían de oxígeno disuelto y eran ricas en CO2, amoniaco, metano y, en general, de gases que son dañinos para la mayoría de los seres vivos en la actualidad. 

Las formas de vida dominantes eran microorganismos, los cuales comenzaron a llevar a cabo un cambio asombroso e irreversible en el medio ambiente de la Tierra, ya que comenzaron a producir oxígeno molecular (O2), el cual con el paso del tiempo se convirtió en un componente importante de la atmósfera. 

Tapetes microbianos y sus características

En la actualidad, podemos encontrar representantes modernos de esas antiguas comunidades de microorganismos llamadas tapetes microbianos, las cuales pueden definirse como acumulaciones de microorganismos autótrofos que son los que utilizan la luz para atrapar carbono (e.g., cianobacterias fotosintéticas y diatomeas), y heterótrofos que utilizan el carbono de los autótrofos para hacer su propias células (e.g, bacterias reductoras de sulfato y metanógenas). Estas diferentes comunidades de microorganismos están ubicadas en capas laminadas del tamaño de milímetros a centímetros (Figura 1). 

Figura 1. Tapete microbiano hipersalino de Laguna Figueroa. Las diferentes capas de colores están constituidas por diferentes grupos de microorganismos.

En sus inicios, estas comunidades eran muy abundantes y se encontraban en casi todos los ambientes; sin embargo, su abundancia disminuyó considerablemente hace unos 680 millones de años, debido principalmente a la formación de la capa de ozono, la cual permitió la evolución de organismos que los comenzaron a depredar (Briggs y Crowther, 1990). Como consecuencia de este proceso, la distribución geográfica de los tapetes microbianos en la actualidad se encuentra restringida a ambientes extremos, ya sea en temperatura, salinidad o intensidad de la luz. En otras palabras, se encuentran restringidos a vivir, principalmente, en ambientes hipersalinos (Van Gemerden et al., 1989).

Los ambientes hipersalinos son lugares en donde la evaporación del agua de mar es tan intensa, que la salinidad de agua se ve incrementada de 33 g/L (la que presenta el océano actual) a valores tan elevados como 250 g/L. Baja California es una región en donde abundan estos ambientes hipersalinos, como es el caso de la Laguna Figueroa, la cual se localiza en la costa oeste de la península, a 10 km al norte de Bahía San Quintín (Figura 2). 

Figura 2. Localización y características generales de la Laguna Figueroa en Baja California, México. Los tapetes microbianos se encuentran preferentemente en la zona de inundación color anaranjado.

Una barrera de arena de aproximadamente 20 km de longitud (Horodyski et al., 1977; Margulis et al., 1980) le da forma, protege y separa Laguna Figueroa del Océano Pacífico adyacente, su principal fuente de agua es la oceánica, que se filtra a través de las dunas durante las mareas altas, llegando a formar pozas de agua hipersalina permanentes o efímeras. La laguna está compuesta de una estrecha franja de marismas y una extensa planicie de evaporación, en la cual se encuentran los tapetes microbianos (Figura 3). 

Figura 3. Tapetes microbianos hipersalinos de la Laguna Figueroa con coloración anaranjado-rosa, conviviendo con plantas halófilas. Se aprecian costras de sal en las partes más secas. En la parte superior se observa la barra de arena que separa a la laguna del océano.

Esta laguna comenzó a ser estudiada a finales de los años 70 y principios de los 80, principalmente desde el punto de vista evolutivo, ecológico y geológico (Margulis et al., 1980); sin embargo, y a pesar de representar un ambiente único y con importancia evolutiva similar a la de Cuatro Ciénegas (Coahuila, México) o Shark Bay (Australia), ha permanecido prácticamente olvidada e ignorada por la comunidad científica en México. 

¿Para qué estudiar los ciclos de los elementos en los tapetes microbianos de la Laguna Figueroa?

En México, en el Instituto de Investigaciones Oceanológicas (IIO) de la Universidad Autónoma de Baja California, nos hemos dedicado durante varios años a estudiar los ciclos biogeoquímicos de los elementos en los tapetes microbianos de ambientes hipersalinos. Este tipo de estudios ofrecen una invaluable oportunidad para utilizar los tapetes microbianos como modelos para reconstruir e interpretar el papel que tuvieron en la evolución de la vida, así como de los cambios que pudieron haber ocasionado durante el desarrollo de la Tierra primitiva. 

Como producto de esos estudios, hemos descubierto que los tapetes microbianos hipersalinos, como los que se encuentran en Laguna Figueroa, presentan características muy interesantes debido a que están conformados por una gran acumulación de microorganismos, en conjunto, pueden secuestrar grandes cantidades de carbono orgánico y por lo tanto, pueden ayudar a atrapar parte del carbono que se encuentra libre en la atmósfera en forma de CO2, contribuyendo a disminuir el efecto invernadero ocasionado por las emisiones antropogénicas de este gas. 

Aunado a lo anterior, los tapetes microbianos tienen una gran capacidad de producir O2, la cual es tan elevada (hasta 1000 µM min-1; Revsbech et al., 1983;  Canfield y Des Marais, 1991), que es equiparable a la que puede producir un bosque tropical, pero a escala de milímetros en el caso de los tapetes microbianos. Esta es la razón por la cual, en buena medida, los tapetes contribuyeron a la transformación de la composición química de la atmósfera de la Tierra, promoviendo la evolución de nuevas formas de vida. 

Si bien en la actualidad el área que ocupan las zonas de evaporación en la superficie terrestre es relativamente baja (15%; Warren, 2008), en el pasado geológico de la Tierra, especialmente durante el Pérmico, estas áreas (incluidos los tapetes microbianos) fueron sustancialmente más abundantes (Figura 4), pues llegaron a ser hasta cinco veces las actuales (75%; Warren, 2008). 

Figura 4. Distribución paleo latitudinal de depósitos de evaporitas del Pérmico al presente. La gráfica insertada muestra la distribución latitudinal del área de superficie terrestre cubierta por los desiertos del mundo actual. Tomada de Warren (2008).

Debido a los procesos biogeoquímicos anteriormente mencionados, como la capacidad de secuestrar CO2 de los tapetes y los sedimentos hipersalinos, estos organismos pueden representar un impacto significativo en los ciclos de los elementos a escala global, lo que significa que durante el pasado geológico de la Tierra pudieron jugar un papel más importante, influyendo en la química del océano y en los ciclos biogeoquímicos de los elementos, así como servir como regulador de la temperatura de la atmósfera y, como consecuencia, del clima. 

Los tapetes microbianos como análogos de posible vida microbiana antigua en Marte

Una de las principales motivaciones que tenemos en el IIO para continuar estudiando los ciclos biogeoquímicos de los elementos en tapetes microbianos modernos, es la búsqueda de “bioseñales”. Sabemos que los tapetes pueden producir bioseñales que pueden dejar su huella en el registro fósil en las rocas (Riding, 2000; Arp et al., 2001). Estas bioseñales pueden servir como “proxies” en ambientes modernos de la misma forma que lo hacen los fósiles, lo que proporciona un registro geológico de las actividades de un organismo (Sageman y Lyons, 2005). 

En otras palabras, las bioseñales (e..g, metales traza, isótopos) representan información codificada de la biodiversidad, asociaciones tróficas y condiciones ambientales antiguas. Adicionalmente, sirven como huellas de los procesos biogeoquímicos de los elementos que ocurrieron en los tapetes microbianos. Es por estas razones que su estudio nos puede ayudar a diferenciar entre los elementos que son o fueron utilizados por los tapetes, de los que se encuentran de manera natural en la corteza terrestre. 

De esta manera, si las condiciones son adecuadas, el grado de  acumulación o enriquecimiento de ciertos elementos podría funcionar como una bioseñal. Uno de los descubrimientos más interesantes que hemos hecho al estudiar los ciclos de los elementos en los tapetes, y el que más ha llamado la atención de la comunidad científica, es que los tapetes microbianos tienden a acumular grandes cantidades de algunos metales traza como el molibdeno y el cadmio. Hemos cuantificado hasta 300 veces más molibdeno dentro del tapete, que el medido en la corteza terrestre (Valdivieso-Ojeda et al., 2014). Esta característica muy particular pudiera servir como una bioseñal de la presencia de estos grupos de microorganismos en ambientes antiguos en la Tierra, característica que también podría ser aplicada en las antiguas zonas hipersalinas de Marte (e incluso de otros planetas) que fueron localizadas por las misiones Rover de la NASA (Litchfield, 1998). 

La idea fundamental detrás del estudio de los tapetes microbianos es que un marcador biológico del planeta Tierra pudiera ser utilizado para interpretar mejor las características de otros planetas. Tal fue el caso del meteorito ALH84001, para el cual fue necesaria la búsqueda y utilización de bioseñales que pudieran definir la presencia o ausencia de microorganismos extraterrestres antes de impactar con el planeta Tierra (Figura 5). Es por estas razones que el estudio de la distribución de los metales en los tapetes microbianos como bioseñal puede ser utilizada como herramienta en la búsqueda de vida microbiana en otros planetas. 

Figura 5. Fotografías del meteorito ALH84001, el cual es una diogenita de color marrón oscuro de 1.931 kg de peso. Descubierto el 27 de diciembre de 1984 por una expedición del Instituto Smithsoniano de Estados Unidos en la Antártida. (A) Parte externa del meteoro y escala. (B) Micrografía del interior del meteorito, se distinguen formaciones parecidas a microorganismos. Crédito: NASA/JPL.

Conservación de nuestro patrimonio

Esperamos que el estudio de los procesos biogeoquímicos de los tapetes de ambientes hipersalinos, como el de la Laguna Figueroa, ayuden a promover la importancia que tienen estos sistemas en la regulación del clima de la Tierra, como posibles productores de biocombustibles, como parte importante de los ciclos biogeoquímicos de diferentes elementos, y como modelos en la búsqueda de vida microbiana extraterrestre. 

Esperamos también que nuestras investigaciones sirvan para promover su conservación, cuidado y estudio, ya que Laguna Figueroa (y otras zonas hipersalinas de México) representa un ambiente hipersalino de 5 000 años de antigüedad con una importancia y valor evolutivo como pocos en el mundo que puede ser perdido en cuestión de años o meses si no es evaluado adecuadamente.

Referencias

  • Arp G., Reimer A., Reitner J. (2001) Photosynthesis-induced biofilm calcification and calcium concentrations in Phanerozoic oceans. Science. 292: 1701-1704.
  • Briggs D.E. y Crowther P.R. (1990) Paleobiology: a synthesis. Blackwell Scientific Publications. Berlín. Alemania. 583 p.
  • Canfield D.E. y Des Marais D.J. (1991) Aerobic sulfate reduction in microbial mats. Science. 251: 1471-1473.
  • Horodyski R.J., Bloeser B., Von Der Haar S.P. (1977) Laminated algal mats from coastal lagoon,Laguna Mormona, Baja California, Mexico. Journal of Sedimentary Petrology. 46: 680-696.
  • Litchfield C.D. (1998) Survival strategies for microorganisms in hypersaline environments and their relevance to life on early Mars. Meteoritics and Planetary Science. 33: 813-819.
  • Margulis L., Barghoorn E.S., Ashendorf D., Banerjee S., Chase D., Francis S., Giovannoni S., Stolz J. (1980) The microbial community in the layered sediments at Laguna Figueroa, Baja California, Mexico: does it have Precambrian analoges? Precambrian Research. 11: 93-123. 
  • Nutman A.P., Bennett V.C., Friend C.R.L., Kranendonk M.J.V., Chivas A.R. (2016) Rapid emergence of life shown by discovery of 3,700-million-year-old microbial structures. Nature. 537: 535-538.
  • Pinckney J.L. y Paerl H.W. (1997) Anoxygenic photosynthesis and nitrogen fixation by a microbial mat community in a Bahamian Hypersaline Lagoon. Applied and Environmental Microbiology. 63: 420-426.
  • Revsbech N.P., Jørgensen B.B., Blackburn T.H. (1983) Microelectrode studies of the photosynthesis and O2, H2S, and pH profiles of microbial mats. Limnology and Oceanography. 28: 1062-1074.
  • Riding R. (2000) Microbial carbonates: the geological record of calcified bacterial-algal mats and biofims. Sedimentology. 47: 179-214.
  • Sageman B.B. y Lyons T.W. (2005) Geochemistry of fine-grained sediments and sedimentary rocks. En: Sediments, diagenesis, and sedimentary rocks. Vol. 6. Treatise of Geochemsitry. Eds. Holland H.D. y Turekian K.K., pp 115-118.
  • Valdivieso-Ojeda J.A., Huerta-Díaz M.A., Delgadillo-Hinojosa F. (2014) High enrichment of molybdenum in hypersaline microbial mats of Guerrero Negro, Baja California Sur, Mexico. Chemical Geology. 363: 341-354.
  • Van Gemerden H., Tughan C.S., Herbert R.A. (1989) Laminated microbial ecosystems on sheltered beaches in Scarpa Flow, Orkney Islands. FEMS Microbial Ecology. 62: 87-102.
  • Warren J.K. (2008) Salt as sediment in the Central European Basin system as seen from a deep time perspective. En: Littke R.B. and Ulf Gajewski D. (eds.) Dynamics of Complex Intracontinental Basins: The Central European Basin System. Springer, Chapter 5.1, 520 p.