Halófilos, que prosperan en entornos muy salados, y metanógenos, que viven en lugares como intestinos de animales, son ambos organismos unicelulares duros llamados extremófilos. Imagen cortesía del Consorcio de Astrobiología de Maryland / NASA / STScI ¿Cuál es tu entorno ideal? Soleado, 72 grados Fahrenheit (22 grados Celsius) y una brisa ligera? ¿Qué tal vivir en agua casi hirviendo que es tan ácida que devora el metal? O residiendo en un fango ¿Sopa sin oxígeno mucho más salada que cualquier océano? Si eres un extremófilo , eso puede sonar perfecto.
Los extremófilos son organismos que viven en ambientes "extremos". El nombre, utilizado por primera vez en 1974 en un artículo de un científico llamado R.D. MacElroy, literalmente significa amoroso extremo [fuente:Townsend]. Estas resistentes criaturas son notables no solo por los entornos en los que viven, sino también porque muchos de ellos no podrían sobrevivir en condiciones supuestamente normales, ambientes moderados. Por ejemplo, el microorganismo Ferroplasma acidiphilum necesita una gran cantidad de hierro para sobrevivir, cantidades que matarían a la mayoría de las otras formas de vida. Como otros extremófilos, F. acidiphilum puede recordar una época antigua en la Tierra cuando la mayoría de los organismos vivían en condiciones duras similares a las que ahora favorecen algunos extremófilos, ya sea en respiraderos de aguas profundas, géiseres o desechos nucleares.
Los extremófilos no son solo bacterias [fuente:Science Resource Education Center]. Vienen de las tres ramas del sistema de clasificación de tres dominios:Archaea, Eubacterias y Eukaroyta. (Exploraremos más la taxonomía a continuación). Así que los extremófilos son un grupo diverso, y algunos candidatos sorprendentes:levadura, por ejemplo, calificar para la membresía. Tampoco siempre se los conoce estrictamente como extremófilos. Por ejemplo, un halófilo se llama así porque prospera en un ambiente muy salado.
El descubrimiento de extremófilos, a partir de la década de 1960, ha hecho que los científicos reconsideren cómo comenzó la vida en la Tierra. Se han encontrado numerosos tipos de bacterias en las profundidades del subsuelo, un área que antes se consideraba una zona muerta (debido a la falta de luz solar), pero que ahora se ve como una pista sobre los orígenes de la vida. De hecho, la mayoría de las bacterias del planeta viven bajo tierra [fuente:BBC News].
Estos especializados, Los extremófilos que habitan en las rocas se denominan endolitos (todas las bacterias subterráneas son endolitos, pero algunos endolitos son organismos no bacterianos). Los científicos especulan que los endolitos pueden absorber nutrientes que se mueven a través de las vetas de las rocas o subsistir en materia rocosa inorgánica. Algunos endolitos pueden ser genéticamente similares a las primeras formas de vida que se desarrollaron hace unos 3.800 millones de años. Para comparacion, La Tierra tiene unos 4.500 millones de años. y los organismos multicelulares se desarrollaron relativamente recientemente en comparación con los unicelulares, vida microbiana [fuente:Dreifus].
En este articulo, veremos cómo los extremófilos ayudan en la búsqueda del origen de la vida; por qué los extremófilos son útiles en la ciencia industrial y por qué los extremófilos pueden llevarnos a la vida en otros planetas. Primero, veamos cómo se clasifican los extremófilos.
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Las representaciones de estos artistas de organismos unicelulares caen en el reino de Monera, hogar de procariotas. Imágenes de Harnett / Hanzon / Getty Cada año los investigadores descubren y nombran miles de nuevas especies. En años recientes, los microorganismos han formado una parte importante de este enorme crecimiento en el descubrimiento de especies. Se han identificado más de 2 millones de especies en todo el planeta, pero algunos expertos especulan que pueden existir 100 millones o más [fuente:Thompson].
Pero encontrar nuevas especies implica más que nombrarlas y catalogarlas. Y por comparar criaturas vivientes, nada supera a un buen sistema de clasificación. Los dos métodos más populares en uso son los sistemas de cinco reinos y de tres dominios. Creado a finales de la década de 1960, los cinco reinos separan la vida en Monera, el reino de los procariotas (células que carecen de núcleos y orgánulos unidos a la membrana) que incluye bacterias, así como cuatro reinos eucariotas (células con núcleos y orgánulos unidos a la membrana):Protista, Hongos Plantae y Animalia.
Por un corto tiempo, los cinco reinos parecían servir bien a los científicos. Pero en la década de 1970, un científico llamado Carl Woese decidió clasificar los organismos basándose en diferencias genéticas en lugar de diferencias en la apariencia visual. Cuando Woese comenzó sus esfuerzos de clasificación, advirtió que había distinciones entre algunos tipos de organismos que antes se habían agrupado como bacterias porque todos eran procariotas. Woese descubrió que las bacterias y este otro, Un grupo de organismos previamente no identificado probablemente se había separado de un ancestro común hace miles de millones de años. Pensando que estos otros organismos merecían su propia categoría, dividió el reino de los procariotas Monera en arquebacterias (luego llamado arqueas ) y eubacterias . Su tercer dominio estaba reservado para eukarya . Explicaremos esos términos en un segundo.
Woese descubrió que muchas arqueas eran extremófilos y consideró este hecho como evidencia de su antigua procedencia ("arqueas" significa antiguo). Las arqueas son un grupo diverso de organismos con su propio tipo único de ARNr, diferente de las bacterias. (El ARNr produce polipéptidos, que ayudan a formar proteínas.) En muchos casos, Las arqueas extremófilas han desarrollado mecanismos relacionados con sus membranas celulares para protegerlas de entornos hostiles.
El segundo dominio de eubacterias, que significa "bacterias verdaderas, Son procariotas que se desarrollaron más recientemente que las arqueas. Estas bacterias son los tipos que tienden a enfermarnos.
El amplio tercer dominio de Woese, eucariota, cubre todo lo que tiene un núcleo y se puede subdividir en reinos como protista, hongos plantae y animalia. Algunos eucariotas también pueden funcionar bien en ambientes extremos.
Examinar estos métodos de clasificación puede crear confusión y debate:¿qué sistema es mejor? - pero también pueden iluminar algunas de las diferencias importantes entre los extremófilos y otros organismos.
Antes de analizar algunos de los entornos que favorecen los extremófilos, aquí hay una lista de algunos nombres adicionales utilizados para clasificar tipos específicos de extremófilos:
En la página anterior, mencionamos halófilos y endolitos. También hay metanógenos, algunos de los cuales viven en los intestinos de las vacas y producen metano como subproducto. Los extremófilos toxitolerantes se desarrollan bien en condiciones altamente tóxicas, como el área cargada de radiación alrededor del sitio nuclear de Chernobyl.
¿Cuál es el punto de?Carl Woese ha llamado a los sistemas de clasificación "arbitrarios", pero reconoció que ayudan a comprender cómo los seres vivos se relacionan entre sí [fuente:The Why Files]
Ese géiser hirviente en el Parque Nacional de Yellowstone probablemente tiene algunos extremófilos acechando cerca. John Wang / Getty Images Un entorno se llama extremo solo en relación con lo que es normal para los humanos, pero para un extremófilo, sus entornos favoritos son "normales". Y más allá de la Tierra las condiciones que hacen posible la vida de los seres humanos son probablemente raras. Sucesivamente, los llamados ambientes extremos y los extremófilos que los pueblan pueden ser más comunes. Aquí en la tierra, varios factores pueden ganar un lugar en la etiqueta "extremo, " incluyendo lo siguiente:
Recuerde también que estos factores a veces pueden ser extremos en una de dos formas, es decir, muy caliente o muy frio, muy ácido o muy alcalino. La mayoría de los organismos que vemos o encontramos subsisten en temperaturas que oscilan entre los 41 grados Fahrenheit (5 grados Celsius) y los 104 grados Fahrenheit (40 grados Celsius), pero se ha encontrado vida extrema en reactores nucleares, guano de pingüino, volcanes, zonas prácticamente libres de oxígeno, áreas increíblemente saladas como el Gran Lago Salado de Utah y en el sistema digestivo de muchos animales, incluidos los insectos [fuente:Science Education Resource Center]. En un caso, Se encontraron bacterias sepultadas en el hielo de Alaska. Cuando el hielo se derritió bacterias que habían estado inactivas durante decenas de miles de años reanudaron su actividad, como si nada hubiera pasado.
El lago Untersee de la Antártida es un gran ejemplo de un entorno extremo. El agua está llena de metano y tiene un pH muy alcalino, comparable al detergente para ropa [fuente:NASA]. Los científicos de la NASA están particularmente interesados en el lago porque su entorno distintivo (mucho metano y temperaturas frías) puede ser similar a los de otros cuerpos planetarios. como la luna Europa de Júpiter [fuente:NASA].
Los humanos prefieren un pH de 6.5 a 7.5, pero los acidófilos prosperan en lugares con niveles de pH que oscilan entre 0 y 5. El estómago humano en realidad cae en esta categoría, y tenemos algunos extremófilos viviendo en nuestros cuerpos. En general, los acidófilos sobreviven en ambientes ácidos fortaleciendo sus membranas celulares. Algunos producen biopelículas (colonias de microorganismos que se agregan, creando viscoso, películas protectoras extracelluar) o ácidos grasos que protegen sus membranas celulares. Otros pueden regular su pH interno para mantenerlo en un nivel más moderado de alrededor de 6.5.
Los extremófilos en ambientes altamente alcalinos también logran regular el pH interno y tienen enzimas que pueden resistir los efectos de la alta alcalinidad. Uno de esos extremófilos es Espirochaeta americana , una bacteria que vive en los depósitos de lodo del lago Mono de California y cuyo descubrimiento se anunció en mayo de 2003. S. americana necesita un pH alcalino de 8.0 a 10.5, y es anaeróbico, incapaz de vivir en ambientes con oxígeno. Este extremófilo es una de las 14 espiroquetas conocidas. A las espiroquetas les gustan los depósitos de lodo sulfuroso y no dependen del oxígeno. Por ejemplo, Spirochaeta thermophila vive cerca de respiraderos hidrotermales de aguas profundas.
El lodo de Mono Lake es alcalino con un pH de 10, muy salado y lleno de sulfuros. El lago se volvió así porque es un lago terminal:el agua fluye hacia adentro pero no hacia afuera. A medida que el agua se evapora, los productos químicos y los minerales permanecen, volviéndose altamente concentrado. Otras formas de vida han hecho de Mono Lake su hogar, entre ellos camarones en salmuera, algas y una especie de mosca que puede crear burbujas de aire por sí misma que le permiten viajar bajo el agua. El lago también es rico en microfósiles de organismos diminutos.
Muchos otros entornos extremos notables también albergan extremófilos. Numerosos géiseres en todo el mundo, incluyendo algunos en Siberia, tienen extremófilos viviendo en sus piscinas calientes y respiraderos. En los Estados Unidos, El Parque Nacional de Yellowstone tiene miles de géiseres, manantiales y otras características geotérmicas, con diferentes niveles de temperatura, acidez y azufre y con muchos tipos de extremófilos. Río Tinto, un río en españa, está llena de metales pesados porque la región ha sido sede de operaciones mineras durante miles de años. Similar, Montaña de hierro, en el norte de California, tiene agua tan cargada de metales pesados y ácidos (subproductos de la minería) que puede comerse a través de una pala de metal en un día. Pero incluso aquí en lo profundo de las minas subterráneas, los microbios de los dominios de arqueas y eubacterias logran sobrevivir de manera desordenada, utilizando biopelículas tanto para la protección como para la absorción de nutrientes.
¿Qué es el pH?La acidez se mide en términos de pH:0 es más ácido, mientras que 14 es el más básico o alcalínico.
D. radiodurans es más resistente que cualquier astronauta humano que probablemente enviemos al espacio. Estas bacterias podrían sobrevivir a la vida en otro planeta. Michael Daly / DOE / NASA
En los años 1960, Dr. Thomas Brock, un biólogo, Estaba investigando bacterias en las aguas termales del Parque Nacional Yellowstone cuando se topó con algo sin precedentes. Las bacterias que viven en el área prosperan a temperaturas extraordinariamente altas. El recién nombrado Thermus aquaticus vivía en agua que tenía casi 212 grados Fahrenheit (100 grados Celsius), prácticamente hirviendo.
T. aquaticus proporcionó la base para dos descubrimientos revolucionarios en biología. Resultó ser la primera arquea. (Recuerde que las arqueas son un grupo diverso de organismos con su propio tipo único de ARNr, diferente de las bacterias). este extremófilo produjo una enzima conocida como Polimerasa TAQ , que encontró una aplicación industrial en las PCR (reacciones en cadena de la polimerasa). La PCR permite a los científicos replicar un fragmento de ADN miles de millones de veces en un lapso de unas pocas horas, y sin el proceso, casi todo el trabajo que requiere la replicación del ADN, desde la ciencia forense hasta las pruebas genéticas, no sería posible.
Otros extremófilos han demostrado su utilidad en aplicaciones de investigación médica e industrial, aunque probablemente ninguno tanto como T. aquaticus . Los científicos han examinado al menos un extremófilo que produce una proteína similar a la que se encuentra en los humanos. Esta proteína parece desempeñar un papel en diversas enfermedades y afecciones autoinmunes como la artritis. Las enzimas de los álcalis se utilizan para fabricar detergentes para ropa y lavavajillas. También se utilizan para eliminar el pelo de las pieles de animales. Otro álcalifilo de Yellowstone se utiliza en la fabricación de papel y en el tratamiento de desechos porque produce una proteína que descompone el peróxido de hidrógeno.
La NASA está estudiando un extremófilo, Deinococcus radiodurans , que es extremadamente resistente a la radiación. Este microbio puede soportar dosis de radiación un 500 por ciento más altas que las que serían letales para los humanos [fuente:Biello]. Curiosamente, la radiación realmente rompe el ADN del microbio en pedazos. Pero en muchos casos el ADN puede volver a ensamblarse y volver a funcionar normalmente. Lo logra eliminando partes rotas de ADN, utilizando una enzima especial para unir ADN bueno a otras piezas de ADN aún sanas, y luego creando piezas complementarias para unirse a estas largas hebras de ADN recién formadas. Entendiendo como D. radiodurans ¿Esto podría permitir a los científicos devolver la vida a las células muertas? Para la NASA, aprovechar esta resistencia del ADN podría ofrecer pistas para construir mejores trajes espaciales o naves espaciales.
En la página siguiente, vamos a considerar cómo el estudio de los extremófilos ha alterado la búsqueda de vida por parte de los científicos más allá de la Tierra.
Aprendiendo de los mejores
los E. coli La bacteria tiene mecanismos para resistir el ácido similares a algunos extremófilos acidófilos.
Hasta aquí, las bacterias parecen más adeptas a los viajes espaciales que nosotros. Aquí, un científico mueve parte del crecimiento de la biopelícula bacteriana en las superficies durante el experimento de vuelo espacial (GOBSS). ¡Si tan solo las bacterias pudieran hablar! Imagen cortesía de NASA Panspermia es la idea de que las formas de vida primitivas podrían viajar entre planetas y sobrevivir al viaje. Para algunos, la panspermia representa un posible origen de la vida en la Tierra, ya que los microbios de otros planetas podrían haber llegado aquí y actuar como antepasados de todas las especies en desarrollo posteriores. El concepto a menudo se ridiculiza por ser poco realista y especulativo, pero varios estudios recientes han dado más credibilidad a la panspermia.
Un estudio encontró que algunos tardígrados , invertebrados microscópicos de ocho patas, pudieron sobrevivir después de pasar 10 días expuestos al espacio y a la radiación solar. Entre varios otros esfuerzos de investigación, Los científicos han descubierto que los organismos clasificados como bacterias, los líquenes y los animales invertebrados han sobrevivido al menos algún tiempo en el vacío del espacio. Alguna protección contra la radiación, como estar en una roca, parece ayudar a los organismos a sobrevivir al viaje. Pero donde sea que aterrizan, estos viajeros espaciales necesitan un entorno que les permita vivir y crecer.
Entonces, con estas ideas en mente, ¿Es justo decir que los humanos podríamos ser extraterrestres? Una teoría popular de la panspermia sostiene que la vida terrestre se originó en Marte, cuales, hace unos 4.500 millones de años, era mucho más hospitalario para la vida que nuestro planeta [fuente:Britt]. Además, el bombardeo pesado tardío, un período de numerosos impactos de asteroides en la Tierra y Marte, podría haber traído vida a la Tierra hace unos 4 mil millones de años. Pero si esto es cierto, y muchos científicos no creen que lo sea, es casi seguro que la vida no provino de otros sistemas solares o estrellas. Las distancias todavía se consideran demasiado grandes para que la vida haya sobrevivido.
En lugar de una teoría bastante descabellada como la panspermia, las respuestas a nuestros orígenes pueden llegar a través de astrobiología , el estudio de la vida en todo el universo. La astrobiología se basa en gran medida en el estudio de los extremófilos debido a la creencia de que las formas de vida más allá de la Tierra pueden residir en entornos extremos. Pero la astrobiología no es solo una búsqueda de vida en otras partes del universo. También examina cuestiones básicas sobre los orígenes de la vida, entornos propicios para la vida, cómo se desarrolla la vida y los límites de lo que la vida puede tolerar.
Un aspecto fundamental de la astrobiología es la búsqueda del antepasado original de todos los seres vivos de la Tierra, conocido como el Último Ancestro Común Universal (LUCA), el Último Ancestro Común (LCA) o el Cenancestor. Los científicos creen que LUCA era un extremófilo que vivió hace más de 3 mil millones de años en un duro, ambiente anaeróbico. Aún así, Los científicos también están debatiendo lo que vino antes de eso, retrocediendo en el tiempo a partir de organismos basados en el ADN (como los humanos y LUCA), a los basados en ARN, finalmente al Primer Organismo Viviente (FLO).
Pero esta búsqueda nos apunta hacia preguntas aún más básicas:a saber, ¿qué es la vida? (Relacionado con esta idea, Considere:¿Estamos a 10 años de la vida artificial? y ¿Estamos buscando extraterrestres en los lugares equivocados?) ¿Es la vida solo un conjunto de aminoácidos? Similar, cuando, exactamente, ¿La Tierra pasó de un mundo químico a uno biológico? ¿Es la vida algo que puede replicarse a sí mismo? ¿Algo que pueda evolucionar? Al sondear estas preguntas de dónde venimos, extremófilos, esos extraños supervivientes de nuestro pasado, seguramente será parte del apasionante futuro de la biología.
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