China, glaciares y microbios ancestrales

Written by on 23/08/2021

La microbiología ambiental busca conocer a los microbios del ambiente. Entender sus interacciones y los procesos que dirigen o están involucrados. En esta línea, hablaremos de los microorganismos de los glaciares. De bacterias y virus ancestrales que están embebidos en el hielo glaciar.

Se trata de un estudio liderado por Zhi-Ping Zhong, joven científico del Byrd Polar and Climate Research Center (The Ohio State University, Estados Unidos), publicado recientemente en la revista Microbiome. El Dr. Zhong, quien es microbiólogo de formación, estudia la ecología de microorganismos presentes en el hielo, pero no de cualquier hielo: hielo glaciar que fue depositado hace 1000 o 1 000 000 años. Hielo de lo más antiguo. Descubrir las formas de vida microbiana preservadas en el hielo es parte de su trabajo, el cual contribuye a entender cómo la vida microbiana ha cambiado a lo largo de cientos de miles de años. Tremenda pregunta, por cierto.

Al ser ya 18 meses de experimentar una pandemia por coronavirus, es claro que hay demasiado por entender sobre los microorganismos, en especial de los virus. Lo cual es una oportunidad enorme para la ciencia. Además, recordemos que los glaciares están en retroceso a causa del cambio climático. Su eventual pérdida lo será también para la historia biológica, geológica y climatológica del Planeta. Por ende, es imperativo estudiarlos, aunque más lo es protegerlos.

A continuación contextualizaremos el estudio del Dr. Zhong y colaboradores con información sobre glaciares, algunos aspectos metodológicos interesantes, principales descubrimientos y su relevancia.

 

"In the end, we will conserve only what we love;
we will love only what we understand;
and we will understand only what we are taught.”
Baba Dioum, 1968.

¿Qué es un glaciar?

Los glaciares son masas de hielo enormes que se encuentran sobre la superficie terrestre. Presentan fluidez debido a su gran tamaño y peso –la gravedad haciendo de las suyas no más– y se clasifican, por sus caractéristicas geológicas (tamaño, locación, régimen termal) en glaciares continentales y alpinos.

Si pensamos en un glaciar por un momento, puede que recurramos a unas imágenes de algún programa de National Geographic o Discovery visto en televisión años atrás. Probablemente recordemos algún glaciar del Ártico o de la Antártida, o sea de los glaciares continentales más populares. Por eso abordaremos los glaciares alpinos, y como ejemplo: el glaciar Aletsch en los Alpes Europeos, al suroeste de Suiza.

 

Glaciar Aletsch, Suiza. Créditos a Rob Heath.

 

¿Algún chante Latinoamericano para conocer glaciares?
De fijo: Parque Nacional Los Glaciares en el sur de Argentina.

 

Sobre el estudio: ¿cómo y por qué estudiar hielo glaciar?

Glaciares alpinos como el Aletsch exhiben morfologías peculiares al estar entre montañas, a muchísima altura sobre el nivel del mar. En las montañas Kunlun de la Meseta Tibetana, al noroeste de China, se encuentra el casquete glaciar Guliya (6710 m snm). Un glaciar muy diferente de Aletsch, así como el objeto de estudio de Zhi-Ping Zhong.

Casquete glaciar Guliya. Créditos al Byrd Polar and Climate Research Center.

Cumbre del glaciar Guliya. Créditos al Byrd Polar and Climate Research Center.

Fue en 1992 cuando una expedición Estadounidense-China obtuvo por primera vez un núcleo o testigo de hielo del Guliya, a 308.6 metros de profundidad, la cifra más alta para una muestra obtenida a más de 4000 m snm. Estos núcleos o testigos de hielo son cilindros (10 cm de diámetro) que se extraen de una capa de hielo o glaciar mediante perforación, la cual puede realizarse a distintas profundidades. Ésto es quizás uno de los aspectos más importantes.

El hielo glaciar, al igual que muchas otras cosas en el Planeta, tiene un proceso de formación lento que toma muchísimo tiempo. Tras miles o cientos de miles de años de depositación continua de hielo cristalino, nieve, roca y sedimento sobre la superficie, la capa más externa es sepultada constantemente, preservándose en las profundidades. En el largo plazo, este fenómeno genera una estratificación del hielo. Especialmente porque los elementos que se depositan, están impregnados de moléculas químicas que son propias de las condiciones ambientales. Si las condiciones ambientales cambian, cambian las moléculas presentes en las depositaciones de hielo o sus cantidades. De esta forma, los diferentes estratos del glaciar resguardan propiedades físico-químicas que son únicas del momento de formación. Casi como un libro de historia, pero de las condiciones climáticas y atmosféricas del Planeta. Por esta razón los científicos del hielo muestrean diferentes profundidades: para obtener datos sobre diferentes momentos de formación del hielo, los cuales permitirán luego reconstruir una historia geológica o climatológica.

Para el estudio, un equipo de exploración obtuvo 5 testigos de hielo de la meseta del glaciar (6200 m snm, profundidad máxima de 35 m), colectados en el 2015, e implementó 3 de la cumbre (6710 m snm, profundidad máxima de 51 m), colectados en 1992.

 

Científicos midiendo un testigo de hielo del glaciar Guliya durante una expedición del 2015. Lonnie Thompson a la derecha, paleoclimatólogo estadounidense, profesor destacado de la Ohio State University, científico del Byrd Polar Research Center y coautor del estudio.

 

Costa Rica no posee glaciares, 
pero posee un sitio geográfico 
marcado por la actividad glacial: el Parque Nacional Chirripó. 
Cerro Chirripó, Laguna Ditkevi, Cerro Terbi, Valle Talari, 
Valle de las Morrenas, Valle de los Conejos y el Lago Chirripó, 
son algunas formaciones geológicas presentes en el Parque con
un pasado vinculado al último periodo glacial (LGP, por sus siglas en inglés).

 

Sobre el estudio: ¿cómo buscar formas de vida en el hielo?

Los microorganismos son las primeras formas de vida que emergieron en el Planeta. Todo lo habitan y los glaciares no son la excepción. Identificar los microorganismos presentes en un testigo de hielo nos brinda una imagen de aquellos microorganismos que circulaban la atmósfera al momento de su deposición. En este proceso, bacterias, arqueas, virus o protozoos son depositados al hielo, donde forman comunidades microbianas en un letargo perpetuo a causa de las bajas temperaturas. Debido al fenómeno de estratificación, las comunidades microbianas presentes en las capas del hielo podrían varían entre sí. Y se ha visto cómo las comunidades correlacionan con variaciones atmosféricas tales como cambios en las partículas de polvo o concentraciones de iones. Ésto demuestra que estudiar la vida en el hielo nos ayuda a conocer más de la historia geológica o climatológica del Planeta.

Sin embargo, estudiar la vida en el hielo posee un reto intrínseco: la pequeña cantidad de células presentes, por lo que obtenerlas es un procedimiento crítico. Generalmente, las muestras de hielo se derriten y los microbios se colectan por filtración y se disponen en volúmenes pequeños. Posteriormente, el ADN de cada muestra es extraído y preparado para su secuenciación, un proceso que genera muchísima información. Al analizarse dicha información, es posible reconstruir la comunidad de microorganismos existente en las muestras.

Por otra parte, la contaminación de los testigos de hielo con microbios del ambiente durante su obtención, manejo, almacenamiento o análisis es un reto mayor porque de no contrarrestarse, las comunidades microbianas reconstruidas posteriormente serían erróneas. Aquí es donde encontramos innovación a nivel metodológico: el equipo remueve 1.5 cm de la cobertura externa de los testigos de hielo mediante un raspado mecánico, un primer lavado con etanol y un segundo lavado con agua destilada estéril. De esta forma obtienen un núcleo de hielo de menor diámetro que su antecesor, pero asegurando que las células recuperadas de verdad correspondan a los microbios ancestrales. ¿Tiene sentido, no?

 

“The greatest ideas are the simplest.”
William Goldling

 

Descubrimiento: depredación en el glaciar Guliya

Pese a que los resultados del estudio son muchos, profundizaremos en algunos de los hallazgos principales.

Primero, que el equipo reconstruyó las comunidades microbianas que habitan los diferentes estratos de hielo. Tras compararlas entre sí, encontraron que las comunidades de la meseta del glaciar son diferentes a las de la cumbre. Géneros de bacterias como Janthinobacterium, Polaromonas, Flavobacterium y algunos desconocidos en las familias Comamonadaceae y Microbacteriaceae, son los más abundantes en muestras derivadas de la meseta del glaciar. Mientras que en las muestras de la cumbre, los géneros bacterianos más abundantes son Sphingomonas, Methylobacterium y uno desconocido en la familia Methylobacteriaceae. Estas diferencias se atribuyen principalmente a: (i) la edad geológica del hielo, ya que el de la meseta es más joven que el de la cumbre (~70-300 vs ~355-14400 años); (ii) variación en parámetros del hielo, como la concentración de polvo e iones (cloruro, sulfato y sodio); y (iii) variaciones en los procesos de depositación del hielo. Interesantemente, bacterias como Janthinobacterium, Herminiimonas y Flavobacterium se identificaron en ambos sitios, pese a la diferencia en la edad del hielo.

Segundo, que el equipo encontró 33 virus en dos muestras de hielo de la cumbre. Tras compararlos con casi 2300 genomas virales, únicamente 4 pudieron clasificarse en algún grupo viral conocido. Los 4 virus “conocidos” se agrupan en las familias Siphoviridae (3) y Myoviridae (1), dentro del orden de los Caudovirales: un grupo enorme cuyos miembros parasitan bacterias. Porque tal como el SARS-CoV-2 parasita a los humanos, hay virus que parasitan bacterias y se les conoce como bacteriófagos. Además, aunque sin éxito, el equipo trató de identificar los virus encontrados en el Guliya en datos obtenidos de una variedad de ambientes. Lo cual sugiere que los virus descubiertos corresponden a una población única―al menos por ahora, que existe poca información sobre virus glaciares.

 

Micrografía electrónica de transmisión de un bacteriófago de la familia Myoviridae para ilustrar la morfología característica del virus. Flechas en (A) indican la placa basal y en (B) las fibras de la cola. En (C) se ilustra la cabeza del bacteriófago con una cola contráctil. En (D) se observa el bacteriófago infectando la membrana externa de una Escherichia coli entero-agregativa. Créditos a Leah C. S. Cepko y colaboradores.

 

Hasta aquí, podríamos decir que Zhong y colaboradores tienen dos cosas claras: (i) que existen bacterias y virus en la cima del glaciar Guliya; y (ii) que algunos de éstos virus tienen la capacidad de infectar bacterias. En esta línea, cabe preguntarse algo propio de la ecología: ¿existe entonces una relación entre estos virus y las bacterias identificadas?

Tal y como nuestro sistema inmunológico tiene la capacidad de detectar y combatir agentes extraños, las bacterias tienen lo mismo pero contra los bacteriófagos. Para ello usan un mecanismo celular como memoria y sistema de defensa. La memoria, particularmente, implementa pequeños fragmentos de ADN propios del bacteriófago, los cuales forman parte del genoma de la bacteria y actúan como elementos de reconocimiento. Gracias a este conocimiento es que tecnologías biológicas como el sistema de edición genética CRISPR/Cas existen, abriendo las posibilidades de la quinta revolución industrial. También permiten a Zhong, mediante herramientas bioinformáticas y diferentes métodos, buscar ADN de los 33 virus en las comunidades microbianas reconstruídas previamente. El objetivo es identificar relaciones hospedero-parásito. Si el potencial genoma de una bacteria X contiene fragmentos del virus Y, podríamos decir que la bacteria X enfrenta a Y desde hace tiempo, ya que dichos fragmentos son elementos de reconocimiento necesarios para activar el sistema de defensa. Ésto es básicamente una relación depredatoria: uno ataca y el otro se defiende y en el camino, evolucionan las herramientas. En efecto, sí se encontraron bacterias que sirven de hospederos para 14 de los 33 virus, tales como Methylobacterium, Sphingomonas y Janthinobacterium. Interesantemente, dichas bacterias son de las más abundantes en el hielo de la cumbre.

 

Inserte reflexiones varias sobre cómo lo más abundante suele ser depredado.

 


 

Es claro que los glaciares resguardan una gran diversidad de microoganismos únicos, los cuales están atrapados en el tiempo y permiten comprender tanto aspectos del Planeta como relaciones ecológicas en las formas de vida más ancestrales. Con el cambio climático, es un hecho que los hielos se derretirán en alguna medida, y que de esta forma los microorganismos resguardados, puedan reintegrarse y difundirse en los ecosistemas marinos y terrestres. ¿Es ésto peligroso? Pues, no lo sabemos. Pero como en todo, siempre existen riesgos. Uno de ellos es justamente el desequilibrio de las comunidades microbianas modernas, especialmente aquellas del mar. Una razón más para evitar un incremento de la temperatura global en 2° C.

 

Lléguelen al episodio de Our Planet llamado Frozen Worlds, 
narrado por el legítimo David Attenborough 
y disponible en Netflix y su canal de YouTube. 
Aparte de echarse unas tomas de glaciares increíbles, 
aprenderán sobre los animalitos que viven en el frío. 
Inevitablemente, reflexionarán sobre el cambio climático, 
lo que está en juego, 
y el sistema económico de producción capitalista.



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