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Vivir bajo el fondo del océano
Alberto González Fairén

Parte de la biosfera terrestre se esconde a gran profundidad bajo los fondos oceánicos. En los sedimentos más antiguos, la vida florece a pesar de las bajas concentraciones de donadores de electrones y nutrientes esenciales. Las comunidades microbianas allí establecidas controlan una fracción esencial de los ciclos biogeoquímicos de la Tierra, y pueden servir como modelo de estudio de posibles análogos de vida en otros planetas.

n el siglo XIX, el biólogo Edward Forbes determinó que no existe vida a profundidades por debajo de los 550 metros. Sin embargo, más de un siglo de exploraciones oceanográficas han puesto de relieve la diversidad y abundancia de la biota que habita a grandes profundidades bajo los océanos. Las primeras estimaciones cuantitativas de la biota subsuperficial efectuadas hace décadas al microscopio, incapaz de distinguir entre organismos vivos y muertos, revelaron que el número de microorganismos es importante, y que la inmensa mayoría (hasta el 97%) viven en los primeros 600 metros de sedimentos bajo el fondo oceánico. En estos primeros 600 metros, la densidad de microorganismos se mantiene prácticamente constante, desde una media de 108 células por gramo de sedimento en la parte superior, hasta 104 por debajo de los 500 metros. Pero esta ingente biomasa podría representar restos microbianos bien preservados y enterrados bajo el océano, o bien microorganismos activos habitando la subsuperficie.

A finales del año 2004, un equipo de investigación multinacional embarcado en el Programa de Perforación Oceánica y dirigido por el oceanógrafo Steven D’Hondt, de la Universidad de Rhode Island, finalizó un trabajo de cinco años en el que describió comunidades microbianas activas y metabólicamente diversas a cerca de 500 metros de profundidad bajo el fondo de la costa americana del Océano Pacífico. El propósito de la investigación era dar respuesta a una serie de cuestiones esenciales, tales como: ¿qué cantidad de biomasa total habita los entornos subsuperficiales?, ¿qué categorías de organismos habitan la subsuperficie terrestre?, ¿cómo viven estos organismos?, ¿varía su actividad en función de la profundidad y los gradientes geoquímicos?, ¿cómo se interrelacionan entre sí las comunidades de organismos subsuperficiales que ocupan entornos geográficamente distantes pero similares?, ¿cuál es su relación con los organismos de la superficie?, y ¿cuál es su impacto sobre la vida en superficie?

Los análisis químicos del equipo multinacional de D’Hondt revelaron que los microorganismos detectados se alimentan y respiran; esto es, están vivos. Se encontraron potenciales aceptores de electrones para la respiración (oxidantes), incluyendo sulfatos y nitratos. El flujo de estos oxidantes puede servir como marcador de actividades microbianas específicas, ya que ciertos grupos de microorganismos los usan para respirar en ausencia de oxígeno. Además, la distribución de subproductos metabólicos microbianos (dióxido de carbono, amoniaco, metano, manganeso, hierro) sirvió para medir la actividad de estos seres vivos y para conocer cómo se distribuyen los distintos grupos de microorganismos en el sedimento.

En principio, una serie de actividades bioquímicas coincide con las esperadas: oxidación del carbono, producción y consumición de metano, o reducción de sulfato, nitrato y manganeso. Sin embargo, su distribución sí es en algunos casos inesperada. Normalmente, los aceptores de electrones (oxidantes como el oxígeno, el sulfato y el nitrato) se difunden en los sedimentos desde el agua oceánica y son consumidos secuencialmente en una serie de reacciones metabólicas competitivas. El proceso queda reflejado en un perfil de consumo de oxidantes que se inicia con el oxígeno, y continúa con el nitrato, el manganeso, el hierro, el sulfato, y termina con el dióxido de carbono (Figura 1); esto es, aquellos que rinden más energía libre se consumen antes.

Figura 1: El ciclo de la materia orgánica en el océano y la respiración microbiana en la superficie del océano y en los sedimentos subsuperficiales. En la superficie del mar, los organismos fotosintéticos capturan la luz solar, y promueven transformaciones de energía y de materia orgánica que se extienden hasta 400 metros bajo la superficie. En la parte aeróbica de la columna de agua, los organismos que respiran usan el oxígeno para oxidar la materia orgánica a dióxido de carbono (ampliación superior). Más abajo, en los sedimentos superiores del fondo marino, el oxígeno es consumido rápidamente, y los microorganismos emplean otros aceptores de electrones alternativos que difunden desde el agua, como el nitrato o el sulfato. Estos aceptores de electrones son empleados en una serie secuencial, dependiendo de la energía libre que proporcionan con su reducción (ampliación inferior). Los experimentos de D’Hondt demuestran que el oxígeno, el nitrato y el sulfato también difunden desde las profundidades de los fondos basálticos, invirtiendo la secuencia de aceptores de electrones que se observa en los sedimentos más superficiales. (Katharine Sutliff/Science).

Sin embargo, en los nuevos análisis aparecieron algunas sorpresas, sugiriendo fuentes inesperadas de metabolitos microbianos en los sedimentos. Incluso, en ocasiones, parece que algunos oxidantes que normalmente difunden hacia abajo desde el fondo oceánico son aportados en realidad por fuentes subsuperficiales; tal es el caso de los sulfatos, que parecen surgir de salmueras bajo la base del sedimento, o del nitrato y el oxígeno. Al final, los perfiles redox parecen estar invertidos, lo que permitiría a los microorganismos respirar anaeróbicamente. Estas nuevas observaciones implican la existencia de una microbiota fisiológicamente diversa y muy activa, que opera de forma diferente a como predecían los modelos.

Como era de prever, la tasa de actividad metabólica microbiana, estimada a partir del flujo de aceptores de electrones, varía sustancialmente de unos lugares a otros. Así, la respiración del sulfato es mucho más importante en el margen continental que en el océano abierto. Sin embargo, otra sorpresa fue constatar que las tasas de respiración del manganeso y el nitrato son superiores en el océano abierto, y que están dominadas por el flujo de nitrato desde los acuíferos basálticos situados bajo los sedimentos. Además, en zonas de elevadas concentraciones de sulfatos, donde los modelos predecían que los microorganismos sulfato-reductores deberían ser dominantes, aparece también metanogénesis y reducción del hierro y el manganeso, lo que implica que las comunidades microbianas de los sedimentos marinos profundos son muy diferentes de las que habitan las capas superiores cercanas a la superficie.

En cuanto a los análisis cuantitativos, la concentración de lípidos polares intactos en la subsuperficie profunda es órdenes de magnitud inferior que la que se encuentra en sedimentos superficiales, indicando que la densidad de poblaciones microbianas es dramáticamente inferior. Esto fue corroborado con análisis de ATP, que determinaban que la biomasa subsuperficial viva no alcanza las estimaciones previas de ningún modo, ya que el número de células muertas es muy superior al de vivas. Aún así, los procariotas de los sedimentos juegan un papel determinante en el ciclo global del azufre: son capaces de eliminar hasta el 50% del azufre que entra en el océano cada año. Sin embargo, el equipo del geomicrobiólogo Axel Schippers, del Instituto Geológico de Alemania, ha conseguido la primera cuantificación directa de los organismos que habitan entornos bajo el fondo oceánico, definida por el número de ribosomas (Figura 2). Su trabajo determina que una gran parte de los microorganismos están vivos, incluso en sedimentos muy antiguos (>16 millones de años) y muy profundos (400 metros). En tales entornos, los tiempos de duplicación bacteriana son extremadamente lentos, entre 3 meses y 22 años (el tiempo de duplicación medio de E. coli, bacteria del tracto digestivo humano, no supera los 20 minutos).

Figura 2: Bacterias detectadas mediante la técnica FISH en diferentes localizaciones: A, a 320 metros bajo el fondo oceánico, en una zona de aguas abiertas; B, a 32 metros bajo el fondo, en la plataforma continental; y C, a 143 metros bajo el fondo, también en la plataforma continental. (Schippers et al., 2005).

Todo lo anterior parece indicar que distintas comunidades habitan en diferentes lugares y a diferentes profundidades. Pero, globalmente, los análisis de ácidos nucleicos bacterianos demuestran que un número determinado de linajes de microorganismos dominan los sedimentos oceánicos subsuperficiales, constituyendo un ecosistema global único. Tales linajes han evolucionado para adaptarse a las condiciones de vida de su entorno, como es el caso del género Thermococcus, que tiene un patrón de distribución que ocupa todo el Océano Pacífico. Esta realidad parece demostrar la estrecha interrelación que existe entre lugares distantes en los oscuros y profundos entornos escondidos bajo el fondo de los océanos de la Tierra.

Madrid, España, 12 de Julio de 2006.

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