Tapetes microbianos: estructuras primitivas que pueden ayudarnos a encontrar vida en otros planetas
Figura 1: Ejemplos de estructuras formadas por microorganismos utilizando suelo, agua, rocas y minerales. (A) Oncolitos de la localidad de Casey Falls, Canning Basin, Australia Occidental (crédito de la fotografía: Heidi Allen). (B) Endoevaporita. (C) Tapete microbiano. (D,E,G,H) Tapetes microbianos de la Península de Yucatán en México. (F) Tapetes microbianos del sumidero de Middle Island, lago Hurón en América del Norte (crédito de la foto: John Bright, Santuario Marino Nacional Thunder Bay de la NOAA). (I) Una sección transversal de un tapete microbiano de Guerrero Negro, México.
Figura 2: Detalle del primer centímetro superior de un tapete microbiano. (A) Estructura de un tapete microbiano clásico. Los microorganismos vivos se encuentran en la capa superior, mientras que la capa más vieja se encuentra debajo. (B) Acercamiento de una sección transversal del primer centímetro de un tapete microbiano, que muestra las diferentes capas formadas. (C) Diferentes tipos de microorganismos viven en las diferentes capas de un tapete microbiano. Los microorganismos reciclan elementos importantes como el carbono, nitrógeno y oxígeno.
Figura 3: Algas y biopelículas similares a tapetes microbianos que crecen en lugares familiares, como (A) un baño para aves, (B) una canaleta de la calle, (C) una tabla de techo exterior, (D) el fondo de una pecera, (E) un recolector de agua de un desagüe del techo, (F) las aguas de un estuario, y (G) una tabla encontrada debajo de un cobertizo. (H) Algas flotantes en un área aguas arriba de Elkhorn Slough, California. (I) Una vista del área de recolección de tapetes microbianos. (J) Muestreo de tapetes microbianos. (K) Transporte de tapetes desde el sitio de campo. (L) Tapetes incubándose en un invernadero en las instalaciones del Centro de Investigación Ames de la NASA.
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Santiago Cadena 1,2, Paula Maza-Márquez 3, Sandra I. Ramírez Jiménez 2, Sharon L. Grim 3, José Q. García Maldonado 1*, Leslie Prufert-Bebout 3 and Brad M. Bebout 3
1 Departamento de Recursos del Mar, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Mérida, México
2 Centro de Investigaciones Químicas, Universidad Autónoma del Estado de Morelos, Cuernavaca, México
3 Exobiology Branch, National Aeronautics and Space Administration (NASA) Ames Research Center, Mountain View, CA, United States
Algunos organismos microscópicos crecen en conjunto para construir unas estructuras conocidas como tapetes microbianos. Estos tapetes están formados por varias capas con diferentes colores, y su estructura depende de las condiciones ambientales como el sol, humedad y disponibilidad de nutrientes. Los tapetes microbianos se encuentran en océanos, lagos y lagunas costeras, así como en ambientes extremos como desiertos, regiones polares y ventilas hidrotermales. El registro de fósil indica que los tapetes microbianos fueron una forma de vida común en la Tierra Primitiva, y que ¡ellos han persistido en nuestro planeta desde entonces, por lo tanto, el estudio de tapetes microbianos modernos nos ayuda a comprender la vida microbiana en el pasado, y como ellos pueden ayudar a regular la atmósfera en nuestro planeta. De esta forma, los científicos creen que los tapetes microbianos pueden prosperar en otros planetas rocosos como la Tierra, por lo que están estudiando a los tapetes en diferentes ambientes terrestres para ayudarlos a reconocer evidencias que sugieran la presencia de tapetes microbianos fuera de la Tierra.
¡LOS MICROORGANISMOS PUEDEN FORMAR GRANDES ESTRUCTURAS!
Los microorganismos son seres vivos diminutos que no se pueden ver a simple vista, ya que la mayoría de ellos están formados por una sola célula. Necesitamos usar un microscopio para verlos. Viven dentro y sobre nuestros cuerpos y en nuestro entorno, incluido el suelo, el agua y el aire. A veces, los microorganismos trabajan juntos para construir grandes estructuras que son visibles sin microscopios. Los líquenes, por ejemplo, parecen plantas, pero son el resultado de una interesante relación entre algas y hongos, que forman escamas o ramas sin hojas en árboles o rocas. El yogur, el vinagre, el queso y el pan se producen mediante procesos de fermentación realizados por grupos específicos de microorganismos. Algunas plantas construyen pequeñas estructuras llamadas nódulos de raíces, donde pueden vivir los microorganismos. Gracias a los microorganismos que viven en estos nódulos, las plantas pueden obtener más alimento del medio ambiente y gracias a las plantas, los microorganismos tienen un lugar donde vivir y mucha azúcar para alimentarse. Comúnmente, cuando la comida se echa a perder en el refrigerador, se puede observar una capa de microorganismos conocida como biopelícula que crece sobre ella.
En la naturaleza, muchos microorganismos viven en el suelo. Utilizando agua, minerales y el mismo suelo, estos microorganismos pueden formar estructuras grandes y sólidas. Cuando hay alimento de alta calidad, algunos microorganismos pueden reproducirse muchísimas veces, adheridos a granos de tierra o arena, creando estructuras que parecen rocas normales o lodo, pero que en realidad son estructuras vivas construidas por muchos organismos microscópicos. Existen diferentes tipos de estructuras microbianas rocosas. Tienen nombres como microbialitos, endoevaporitas, oncolitos y estromatolitos (Figura 1) [1]. Estas estructuras pueden tener diversas formas y colores, que están fuertemente influenciados por las condiciones ambientales presentes durante su formación. Los tapetes microbianos son un ejemplo específico de una estructura construida por microorganismos.
¿QUÉ SON LOS TAPETES MICROBIANOS Y PARA QUÉ SIRVEN?
Para construir un tapete microbiano, los microorganismos necesitan agua y energía. El agua puede provenir de manantiales termales, lagunas o costas, y muchos microorganismos utilizan la luz solar como su principal fuente de energía. Con suficiente energía y agua, los microorganismos pueden prosperar en una superficie, pegándose con los nutrientes en conjunto con los granos de arena o tierra, y construir tapetes que pueden crecer hasta unos cuantos centímetros d e espesor (Figura 1C). En algunos casos, un nuevo tapete vivo crece encima de un tapete más viejo o muerta, creando capas gruesas (Figuras 1G, H). Como sugiere el nombre, los tapetes se parecen a las alfombras o esteras, en el sentido de que cubren superficies de varios tamaños. Cuando se ven de cerca, los tapetes también tienen interesantes capas verticales (Figura 2). Los microorganismos se distribuyen en capas verdes, naranjas, rojas y moradas, y cada capa representa una comunidad diferente de microorganismos que necesitan diferentes cantidades de luz solar y oxígeno (Figura 1I). Todos los microorganismos de los tapetes trabajan juntos para mantenerse e interactuar con el entorno que los rodea.
Estudios han demostrado que los tapetes microbianos son importantes para el funcionamiento de los ecosistemas. Por ejemplo, cuando los tapetes colonizan el suelo, contribuyen a la salud de los sedimentos, produciendo nutrientes que los enriquecen. Los tapetes participan en el reciclaje de algunos elementos químicos, incluyendo el carbono, el nitrógeno y el azufre. También pueden limpiar el agua y absorber o liberar gases de la atmósfera, como oxígeno, hidrógeno, dióxido de carbono y metano. Los tapetes también son una fuente de alimento para los animales. Algunas moscas, caracoles, gusanos, cangrejos y pájaros se alimentan de pequeños trozos de tapetes microbianos, y así los organismos más grandes se alimentan de los más pequeños [2]. Debido a que los tapetes son continuamente fuente de alimento de otros animales, a menudo no crecen en largas extensiones, excepto en ambientes extremos1.
1 Si quieres conocer más a detalle sobre los tapetes microbianos, ve este video: https://www.youtube.com/watch?v=VpCkgvb41Ag
TAPETES MICROBIANOS ALREDEDOR DEL MUNDO
Hoy en día, se pueden encontrar tapetes microbianos en lagunas costeras tropicales, estuarios y bahías, pero pueden ser difíciles de detectar porque solo pueden crecer cuando tienen suficiente alimento y cuando están protegidos de organismos herbívoros. Sin embargo, los tapetes microbianos se encuentran extensamente en el registro fósil, lo que indica que, hace miles de millones de años, estas estructuras abundaban en la Tierra primitiva. ¡Solo piensa en ello!, los dinosaurios se originaron hace 245 millones de años (MDA), los peces hace 530 MDA y las plantas acuáticas hace 1200 MDA, sorprendentemente, los tapetes microbianos estaban presentes en la Tierra incluso hace 3500 MDA, mucho, mucho antes de que existieran otras formas de vida. En la Tierra primitiva, estas estructuras microbianas proliferaban en superficies rocosas o arenosas de todo el mundo. ¡Imagina eso!, hoy en día, los tapetes microbianos suelen ser devorados por otros organismos, pero hace miles de millones de años, esas formas de vida superiores aún no habían evolucionado, ¡así que los tapetes microbianos crecían y crecían casi sin límites!. Los tapates microbianos son una de las formas más antiguas de vida organizada y el estudio de los tapetes actuales ayuda a los científicos a comprender su contribución a los ecosistemas tanto en la Tierra moderna como en la primitiva.
Los datos geológicos y estudios de laboratorio han revelado la importancia de los tapetes microbianos en la historia de la Tierra. Se cree que, en el pasado, la abundancia y alta actividad de los tapetes crearon la atmósfera que respiramos hoy en día. Además, a medida que los antiguos tapetes liberaban dióxido de carbono y metano, también contribuyeron a la regulación del clima de la Tierra, ayudando a crear la atmósfera cálida que hizo de la Tierra un planeta habitable [3].
TAPETES MICROBIANOS COMO MODELOS DE VIDA EXTRATERRESTRE
Se han observado tapetes microbianos en ecosistemas extremos, como en áreas extremadamente salinas alrededor de las costas y en suelos desérticos. Además, pueden formarse en las regiones polares adheridas al permafrost, que es un suelo que nunca se descongela. Se han descubierto tapetes microbianos a altas temperaturas, cerca de volcanes y fuentes termales. También se han encontrado en las profundidades del océano, bajo condiciones de poca luz y alta presión.
Dado que los tapetes microbianos pueden crecer bajo variaciones extremas de luz solar, agua, temperatura y salinidad, los científicos creen que podrían existir tapetes microbianos más allá de la Tierra, creciendo en otros planetas rocosos o en lunas. La mayoría de los planetas y lunas de nuestro sistema solar no son lugares adecuados para la vida debido a las grandes cantidades de luz ultravioleta o radiación cósmica que reciben y a la falta de una atmósfera que sustente la vida. Pero la evidencia sugiere que algunos planetas y lunas del sistema solar pueden tener agua, a veces protegida por capas de hielo. Si hay vida en esos lugares remotos, es probable que se trate de vida microbiana, no de grandes animales o plantas. Por lo tanto, al estudiar las características de los tapetes microbianos, los científicos pueden descubrir la firma biológica de los tapetes microbianos. Una biofirma es como una tarjeta de identificación que sugiere la presencia de vida. Por ejemplo, los gases producidos por microorganismos o las estructuras que construyeron en rocas y arena podrían ser sus biofirmas. Usando cámaras e instrumentos en naves espaciales, las grandes estructuras producidas por microorganismos serían mucho más fáciles de detectar que los propios microorganismos. Si observamos la biofirma de tapetes microbianos en otro planeta usando las cámaras de una nave espacial, indicará que en ese planeta podrían estar viviendo microorganismos.
Actualmente, los científicos buscan tapetes microbianos vivos o fosilizados en nuestro sistema solar. El planeta Marte y dos lunas del planeta Saturno (Titán y Enceladus), tienen características geológicas prometedoras para la formación de tapetes microbianos. Marte tiene una superficie rocosa y seca, pero recientemente, el Mars Reconnaissance Orbiter de la NASA, proporcionó pruebas contundentes de que hay agua líquida en el planeta [4]. Las misiones de las naves espaciales Cassini-Huygens y Voyager que estudiaron Saturno y sus lunas encontraron evidencia de agua y hielo polar en Titán y en Enceladus, probablemente similar al hielo y el agua que se encuentran en los casquetes polares de la Tierra [5]. Aún no hay pruebas de que ningún tipo de vida esté prosperando más allá de nuestro planeta, pero el estudio de los ecosistemas extremos de la Tierra nos ayuda a predecir las condiciones necesarias para la vida microbiana en otras partes del Universo y a diseñar estrategias y dispositivos que nos ayudarán a encontrarla. Por ejemplo, debemos saber qué instrumentos enviar en misiones espaciales para detectar gases producidos por microorganismos, y debemos aprender cómo identificar tapetes microbianos en fotografías.
¿CÓMO SE ESTUDIAN LOS TAPETES MICROBIANOS?
Los tapetes microbianos están en todas partes de la Tierra, tanto en ambientes templados como extremos, en lugares accesibles como difíciles de llegar. Algunos de los tapetes microbianos más famosos se encuentran en el Parque Nacional de Yellowstone, California, donde crecen cerca de fuentes termales y géiseres. Sin embargo, se pueden encontrar tapetes en algunas costas poco profundas, donde el agua de mar sube y baja con las mareas. Por ejemplo, los tapetes pueden crecer en bosques de manglares, marismas, humedales o en las orillas de ríos y lagos. A veces, en otros lugares donde el agua no se limpia con regularidad, pueden crecer trozos de biopelículas o pequeños tapetes, por ejemplo, en bebederos para aves, fuentes o peceras (Figuras 3A - H).
La investigación actual de los tapetes microbianos se lleva a cabo mediante viajes de campo y expediciones que investigan la capacidad de los tapetes y microorganismos para sobrevivir en diversos ecosistemas, bajo diversas condiciones ambientales. Esta información ayuda a los científicos a comprender el papel de los tapetes en la naturaleza y los límites de la luz solar, el agua, la temperatura y otras condiciones bajo las cuales estos microorganismos pueden funcionar. Además de estudiar los tapetes en su ubicación natural, se transportan pedazos de tapetes microbianos a laboratorios, donde se pueden realizar experimentos a largo plazo y se pueden utilizar diversas herramientas de laboratorio para aprender sobre la vida de los microorganismos. Por ejemplo, podemos cultivar tapetes en el laboratorio y usar instrumentos para medir cuánto oxígeno producen y cuánto dióxido de carbono consumen (Figuras 3I - L).
CONCLUSIÓN
En conclusión, los tapetes microbianos son sistemas complejos que brindan una excelente oportunidad para estudiar la diversidad, la ecología y la evolución microbiana. Los tapetes microbianos se encuentran en toda la Tierra, en muchos tipos de ecosistemas, y vienen en una amplia variedad de formas y tamaños. Al igual que los propios tapetes microbianos, se pueden encontrar científicos interesados en estudiar los tapetes microbianos en todo el mundo. ¿Conoces o has visitado algún lugar donde crezcan tapetes microbianos?
GLOSSARIO
BIOPELÍCULA
Capa de microorganismos que están pegados entre sí y adheridos (o flotando) sobre una superficie.
TAPETES MICROBIANOS
Macroestructuras construidas por microorganismos que crecen sobre los sedimentos. Suelen estar compuestos por grandes cantidades de suelo, minerales, nutrientes y microorganismos.
ECOSISTEMA
Una comunidad de organismos que viven en un área determinada y los componentes no vivos de su entorno (clima, paisajes).
REGISTRO FÓSIL
La historia de la vida en la Tierra, documentada por fósiles, restos o huellas de organismos que vivieron hace muchos años.
BIOFIRMA
Cualquier rasgo, molécula, sustancia o característica que sugiera fuertemente evidencia de vida.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue apoyado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) a través del proyecto CF-2019-8. El muestreo en la Península de Yucatán contó con el apoyo del Programa de Apoyo a Proyectos de Investigación e Innovación Tecnológica (PAPIIT-UNAM) IN216219. Santiago agradece la beca de doctorado del CONACYT (beca 570049-2017–2020). SIRJ agradece al proyecto de CONACYT 377887. Muchas gracias a Mike Kubo y Sanjoy Som por su apoyo durante el Programa de Jóvenes Científicos del Blue Marble Space Institute of Science. Muchas gracias a los Doctores Claudia Teutli y Jorge Herrera por hacer posible el muestreo en Yucatán. Gracias a Verónica y Bart por la hospitalidad en Santa Clara. Agradecemos a Anabel Suárez-Guevara por la elaboración de las figuras. Se agradecen los grandiosos comentarios de los editores Rémy Beugnon y Susan Debad.
REFERENCIAS
[1] P.F. Hendrix (1996), « Earthworms, biodiversity, and coarse woody debris in forest ecosystems of the southeastern U.S.A. », dans Proceedings of the Workshop on Coarse Woody Debris in Southern Forests: Effects on Biodiversity, Athens, Géorgie, pp. 43-48.
[2] M.B. Bouché (1977), « Stratégies lombriciennes », dans U. Lohm, T. Person (éd.), Organisms as components of ecosystems, Ecological Bulletin, Stockholm, pp. 122–132.
[3] M. Cálix, K.N.A. Alexander, A. Nieto, B. Dodelin, F. Soldati, D. Telnov, X. Vazquez-Albalate, O. Aleksandrowicz, P. Audisio, P. Istrate (2018), « European red list of saproxylic beetles », UICN, Bruxelles.
[4] E. Sherlock (2018), Key to the Earthworms of the UK and Ireland, 2de edition, Field Studies Council, Telford.
EDITOR: Rémy Beugnon, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Germany
SCIENCE MENTOR: Ruchira Sharma
CITATION: Cadena S, Maza-Márquez P, Ramírez Jiménez SI, Grim SL, García-Maldonado JQ, Prufert-Bebout L and Bebout BM (2022) Microbial Mats: Primitive Structures That Could Help us Find Life on Other Worlds. Front. Young Minds 10:654148. doi: 10.3389/frym.2022.654148
CONFLICT OF INTEREST: The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.
COPYRIGHT © 2022 Cadena, Maza-Márquez, Ramírez Jiménez, Grim, García-Maldonado, Prufert-Bebout and Bebout. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
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Hello, my name is Sanskriti. I am 14 years old and am going into 9th grade. I love Computer Science and hope to see more girls showing interest in that field in the next few years.
AUTORES
SANTIAGO CADENA
I am a marine biologist dedicated to the study of marine and hypersaline microorganisms. I am very interested in geomicrobiology, astrobiology, and biotechnology. I have experience in the study of the methane and sulfur cycles in microbial mats. Also, we are studying the microorganisms living in mangrove forests. In brief, I am interested in studying the role of microorganisms in nature and their potential use for biotechnological purposes.
PAULA MAZA-MÁRQUEZ
I am a postdoctoral researcher in the Exobiology Branch at NASA’s Ames Research Center. I study the structure and function of microbial mats. I am particularly interested in genes that control nitrogen cycling, to explore the hypothesis that key features of the modern biological nitrogen cycle evolved in microbial mat systems.
SANDRA I. RAMÍREZ JIMÉNEZ
I aman astrobiologist at Centro de InvestigacionesQuímicas, Universidad Autónoma del Estado de Morelos, interested in microorganisms from extreme ecosystems, specifically, bacteria living in high salt concentrations. I study the adaptation strategies bacteria use in environments mimicking the salty water of the satellite Europa or the subsurface of the planet Mars, to understand the limits of terrestrial life and the potential for life on other bodies in the solar system.
SHARON L. GRIM
I am a postdoctoral fellow at NASA’s Ames Research Center. I study cyanobacteria, which are photosynthetic microorganisms that have shaped Earth’s atmosphere for billions of years by producing oxygen. I use computational tools to understand the genes and biogeochemistry of cyanobacteria and other microorganisms in extreme microbial mats.
JOSÉ Q. GARCÍA MALDONADO
I am a research scientist working at the Marine Resources Department in the Center for Research and Advanced Studies of the National Polytechnic Institute (CINVESTAV), in Mexico. My investigations are mainly related to the ecology and biotechnology of complex microbial communities in marine and extreme environments. *jose.garcia@cinvestav.mx
LESLIE PRUFERT-BEBOUT
I am a microbial ecologist and geobiologist. I am interested in how the sedimentary mineral environment characteristics affect colonization by different populations of microorganisms. I focus on cyanobacterial species and how they distribute themselves in their environments. I am also very interested in how much and what colors of light exist inside of sands and rocks.
BRAD M. BEBOUT
I am a scientist at NASA’s Ames Research Center now, but I have been studying microbial mats since I was a graduate student; that was 30 years ago! I am mostly interested in how mats help recycle carbon and nitrogen in the environments where we find them, but also in the biosignatures that they produce so that we, at NASA, can see if they occur in places other than Earth.
TRADUCTOR
JOSÉ Q. GARCÍA-MALDONADO
FUNDING (TRANSLATION)
The team Translating Soil Biodiversity acknowledges support of the German Centre for integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig funded by the German Research Foundation (DFG FZT 118, 202548816).
