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A la pregunta: “¿De dónde proviene el oxígeno que respiramos?”, la mayoría de nosotros respondería que de las plantas, teniendo en mente la imagen de la selva tropical del Amazonas o nuestras sierras y montañas, asociada a la importancia de su conservación. Sin embargo, la respuesta correcta incluye junto a las plantas a diminutos organismos marinos que flotan por miles en cada gota de agua: las cianobacterias.

Las cianobacterias marinas son las responsables de más del 50 % del oxígeno que se produce en la Tierra. Ellas dotan de oxígeno al mar, permitiendo que respiren los seres marinos. Si las cianobacterias dejaran de cumplir su función, el mar sería un cementerio. Ellas nos dieron la bolsa de oxígeno primigenia de la que aún respiramos.

Cómo se creó el oxígeno que respiramos

Durante la primera mitad de la historia de nuestro planeta no hubo oxígeno en la atmósfera. Fueron las cianobacterias primigenias las que evolutivamente desarrollaron la fotosíntesis oxigénica: un método para tomar energía de la luz del sol para producir azúcares del agua y el CO₂, que tiene como resultado final la liberación de oxígeno.

Este espectacular evento que se conoce como la Gran Oxidación o la revolución del oxígeno fue determinante en nuestra historia evolutiva. El aumento de la concentración de oxígeno permitió la aparición de formas de vidas multicelulares, que fueron aumentando su complejidad hasta alcanzar la biodiversidad actual.

Hoy en día seguimos viviendo de esta reserva creada durante millones de años, que se mantiene gracias a que el balance con los otros procesos donde se consume oxígeno es casi nulo. Sólo una milésima parte de la actividad fotosintética mundial escapa de los procesos biológicos y se agrega al oxígeno atmosférico.

La falta de oxígeno que arrasa la vida marina

En la superficie de los océanos las cianobacterias marinas producen enormes cantidades de oxígeno. Suficiente para la vida marina. Sin embargo, en ocasiones el sistema se descompensa y las aguas se vuelven inhabitables para la mayoría de los organismos aerobios.

En ellas, la solubilidad del oxígeno es menor, el agua menos densa y no hay corrientes para la ventilación. Estas zonas se han multiplicado en los últimos años principalmente por el calentamiento del océano que hace disminuir la solubilidad de los gases y por el exceso de nutrientes, debido a la actividad antropogénica. Esto es lo que ocurre, por ejemplo, en el Mar Menor, que debido al vertido de grandes cantidades de nutrientes procedentes de la actividad agraria (nitratos y fosfatos) causa la eutrofización y se disminuye el oxígeno que los peces necesitan para la vida.

Las consecuencias de estas zonas con hipoxia sobre la vida marina son evidentes. Sólo sobreviven aquellos individuos que pueden migrar a otras regiones y mueren o morirán los organismos que no se pueden mover por sí mismos o se desplazan muy lentamente (algas, invertebrados, moluscos, corales, pastos marinos, algunos equinodermos, etc.).

Si nos quedáramos sin oxígeno en los océanos, se produciría una enorme pérdida de hábitat y de biodiversidad.

La importancia de las cianobacterias marinas

Las cianobacterias marinas forman parte, junto a las algas unicelulares, del fitoplancton. Estos microorganismos flotan por miles en cada gota de agua de las capas superiores del océano y constituyen el primer eslabón de la cadena trófica de estos ecosistemas. Sin ellos, mares y océanos serían desiertos sin vida. Además, contribuyen sustancialmente a mantener los ciclos de carbono, oxígeno y nitrógeno en la biosfera.

Estos microorganismos realizan su ciclo de renovación y muerte en apenas unos días. Son la fuente que produce la mayor parte del oxígeno mundial y además de absorber la luz y liberar oxígeno, retira el CO₂ disuelto para fijarlo, en forma de carbohidratos, a sus estructuras biológicas. Cuando el fitoplancton muere, parte del carbono captado cae a las profundidades del océano.

Cianobacterias marinas: Synechococcus y Prochlorococcus

Las cianobacterias marinas están formadas en su mayoría por dos grandes géneros: Synechococcus y Prochlorococcus. Hasta hace unos 45 años, estos microorganismos eran completamente desconocidos. Synechococcus no se descubrió hasta finales de los años 70 y su pariente más cercano, Prochlorococcus, hasta 1986.

La distribución oceánica de estos grupos depende, entre otros factores, de la disponibilidad de nutrientes y la temperatura. Mientras que Prochlorococcus abunda en las aguas pobres en nutrientes de las zonas subtropicales y tropicales, Synechococcus prospera en aguas con niveles intermedios y moderadamente bajos de nutrientes, colonizando un número amplio de nichos ecológicos. Estudios recientes han mostrado que las interacciones con predadores son también un factor importante en la distribución de estos microorganismos.

Aunque las cianobacterias requieren nitrógeno como nutriente esencial para el crecimiento, su disponibilidad es un factor limitante en los océanos. Este elemento lo podemos encontrar en forma de amonio, urea, nitrito, nitrato o aminoácidos, siendo el primero la fuente preferida de estos microorganismos.

¿Son capaces de coexistir ambos géneros?

Ambos organismos habitan zonas donde los nutrientes son muy escasos, y cabría preguntarnos si pueden coexistir, o la presencia de uno excluye al otro al ser competidores por los mismos nutrientes. La respuesta es que sí, coexisten.

Aunque Prochlorococcus es más abundante, Synechococcus marino es capaz de coexistir con éxito, incluso en zonas oligotróficas de los océanos. Entonces, ¿cómo lo consigue? Esta respuesta aún no se conoce con certeza, pero una hipótesis es que Synechococcus prefiera utilizar el nitrato del medio y no competir por el amonio.

Por ello, la asimilación de nitrato es de particular interés, porque es una forma de nitrógeno abundante en los ambientes marinos, aunque al mismo tiempo es una fuente costosa para la célula, ya que está completamente oxidada y la célula necesita llevar a cabo dos reacciones de reducción para poder utilizarla: tiene que pasar el nitrato a nitrito y el nitrito a amonio. Además, casi todas las estirpes marinas de Synechococcus poseen los genes que codifican la maquinaria para asimilar el nitrato, a diferencia de la mayoría de Prochlorococcus, que carecen de ella.

Nuestro trabajo en el laboratorio con Synechococccus consiste en la medición de diferentes parámetros que indican el estado de los cultivos según la disponibilidad de nitrógeno. Algunos resultados preliminares de nuestro grupo sugieren la existencia de un sistema que permite a Synechococcus detectar concentraciones nanomolares de nitrato. ¿Se trata de un sistema específico en su respuesta a bajísimas concentraciones de nitrato? Seguimos trabajando para responder a esta pregunta que nos permita profundizar en el conocimiento de las mayores productoras de oxígeno de La Tierra.

Fuente: Yesica María Melero Rubio,estudiante predoctoral en el programa de doctorado de Biociencias y Ciencias Agroalimentarias, Universidad de Córdoba

Shutterstock / Mike Mareen

Todos asumimos que el aire es capaz de transportar objetos de diferente tamaño, y pensamos rápidamente en los pólenes y las alergias que causan. También asumimos que, en algunos casos, estas distancias pueden ser relativamente grandes. Lo estamos viendo de manera especialmente intensa estos años con los fenómenos de calima y lluvia de barro procedente del Sahara.

Pero los modelos teóricos físicos indican que solo las partículas más pequeñas pueden ser transportadas por el aire distancias grandes. ¿Están los seres vivos sometidos a estos principios? ¿Pueden las bacterias de ecosistemas distantes llegar a nuestros ecosistemas usando el aire como vehículo?

Microorganismos aeronavegantes

Los modelos físicos indican que las partículas pueden mantenerse en el aire durante periodos de tiempo largos solamente si son muy pequeñas (por debajo de una milésima de milímetro). Las partículas más grandes, en cambio, sedimentan tras unas horas o días en el aire.

Aunque las bacterias más comunes están en ese rango de tamaño, la mayor parte de los organismos o sus propágulos son más grandes y no podrían alcanzar distancias relativamente largas. Sin embargo, nuestros resultados demuestran que, con una perspectiva multidisciplinar uniendo la física, la meteorología, las matemáticas y la biología, se puede explicar una dispersión de organismos mucho mayores a largas distancias.

Los modelos de dispersión usados habitualmente para determinar hasta dónde pueden llegar las partículas simplifican su formas habituales convirtiéndolas en esferas. Pero la mayor parte de los organismos no son esféricos, sino más bien alargados. Si usamos las longitudes máximas de estos organismos en los modelos, el resultado es que muy pocos podrían moverse por el aire distancias relevantes.

No obstante, cuando esos organismos alargados se convierten matemáticamente en esferas, su tamaño disminuye enormemente y organismos mucho más grandes pueden viajar largas distancias.

Si, además, tenemos en cuenta que la mayor parte de los microorganismos se pueden desecar alcanzando la humedad relativa del aire que les rodea, y que el aire puede tener humedades relativas muy bajas, las partículas vivas pueden disminuir su densidad hasta el 90 %. Esto les permite viajar distancias aún mayores.

¿El tamaño importa?

Hemos observado recogiendo “aeronavegantes” desde los tejados de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), que las muestras contenían una cantidad de bacterias con tamaños comprendidos entre 0,001 y 0,01 mm de diámetro similar a lo que se ha descrito en la literatura científica. Pero también aparecían especies de microorganismos mucho más grandes.

Al estudiar el origen de las masas de aire utilizando sistemas de modelización atmosférica, descubrimos que en algunas ocasiones estas masas de aire podían proceder de lugares tan lejanos como Canadá.

Al incorporar el conocimiento biológico (tamaño equivalente y posibilidad de desecación) a los modelos físicos, descubrimos que las partículas recogidas de hasta 0,4 mm de longitud (en el mundo de los aeronavegantes este tamaño es increíblemente grande) podrían tener su origen en lugares alejados cientos de kilómetros de la sede de la UAM (Cantoblanco, Madrid), en vez de los cientos de metros que pronosticaban los modelos.

Posibles trayectorias de 5 días en el periodo de muestro cuando se capturó una cianobacteria de 92,1 µm de longitud y 2 µm de grosor, convertida a un tamaño equivalente de 8,2 µm y considerando un 75% de desecación. Las líneas muestran el posible origen de la masa de aire que podría transportar este organismo. Author provided

Cómo influyen las condiciones meteorológicas

Muchos investigadores han buscado relaciones entre la cantidad de aeronavegantes y las condiciones de la atmósfera en el punto de captura, como la velocidad del viento, la lluvia o la temperatura. Los resultados han sido contradictorios. Algunos autores han observado que una variable meteorológica está directamente relacionada con la concentración, mientras que para otros la relación es inversa.

Nuestro trabajo, realizado en colaboración con la AEMET, ha demostrado que las relaciones son muy intensas con las condiciones generales de la atmósfera y no con variables concretas.

Durante el periodo de muestreo, se produjo el paso de varios frentes y diferentes condiciones atmosféricas. Estas se relacionaban con las cantidades de aeronavegantes capturados, que no dependían tanto del origen de las trayectorias del aire.

Consecuencias del movimiento a grandes distancias

La posibilidad del movimiento de microorganismos a grandes distancias por el aire tiene profundas implicaciones en diversos campos. Por un lado, a nivel ecológico, permite entender la distribución de microorganismos en el planeta.

Nuestros resultados en las áreas polares parecen indicar que existe en la criosfera una comunidad de bacterias cosmopolitas que representa una importante proporción de la diversidad de organismos en estos ecosistemas.

El flujo de genes que puede representar este acceso continuo a los diferentes ecosistemas de la Tierra puede otorgar una nueva perspectiva a la microbiología del planeta.

Por otro lado, nuestros resultados pueden tener implicaciones en la movilidad de patógenos que causan enfermedades tanto en la agricultura, la ganadería o lo seres humanos.

En cualquier caso, que organismos de diferentes tamaños se puedan transportar a grandes distancias no implica que alcancen su destino vivos y con capacidad de reproducirse.

Sin embargo, otros datos preliminares, sin publicar aún, muestran que en el ambiente más inhóspito de la Tierra, la meseta antártica, con una desecación extrema (con humedades relativas tan bajas como el 2 %), temperaturas entorno a -50 ℃ en verano, alta incidencia de radiación ultravioleta (con 24 horas de luz al día), y sin apenas alimento para subsistir, más del 50 % de los aeronavegantes capturados muestran integridad de membrana. Esto podría significar que tienen capacidad de reproducirse cuando las condiciones lo permitan.

Nuestros resultados indican que muchos de los microorganismos, incluso los más grandes, pueden desplazarse a grandes distancias usando el aire como vehículo. Además, se ha descubierto que las condiciones meteorológicas locales influyen de una manera directa sobre la presencia de los microorganismos transportados a nivel del suelo.

Estos nuevos descubrimientos pueden tener repercusiones relevantes sobre cómo entendemos la biodiversidad y la biogeografía de los microorganismos. Asimismo, pueden ayudar a prevenir los efectos que ciertos microorganismos patógenos pueden tener en la agricultura, la ganadería o el ser humano.

Publicado en The Conversation el 5 de mayo de 2021 por  . Enlace al original: https://bit.ly/2RxyMoV

Shutterstock / Savyolova Ekaterina

Imagine, por un momento, que sus pies están anclados al suelo. Si tiene sed, no puede ir a por un vaso de agua. Si tiene hambre, no puede ir a por comida. Si le da el sol, no puede moverse hacia la sombra. Parece complicado sobrevivir así, ¿verdad? Pues así viven las plantas. Fijadas al suelo, expuestas al ambiente y solo pueden usar lo que tienen a mano.

Esto hace que su crecimiento se vea muchas veces limitado. ¿Qué pasa cuando esa planta es un cultivo que va a servir de alimento a una población que aumenta cada vez más, y que demanda más y mejores alimentos? Que el ritmo de la naturaleza no es suficiente para compensar el ritmo de producción y consumo de la sociedad. De ahí el uso de fertilizantes.

Pan para hoy, hambre para mañana

Fertilizantes y pesticidas aportan los nutrientes necesarios que la planta no puede ir a buscar y la defienden de enfermedades e insectos. Esto incrementa la producción de alimentos, pero trae otros problemas. Por un lado, la calidad del alimento se puede ver mermada y, por otro, se altera la salud del suelo a largo plazo. De hecho, a día de hoy, un tercio del suelo de nuestro planeta se encuentra de moderada a altamente degradado.

Por ello, se buscan alternativas más ecológicas (y asumibles económicamente) para mantener la producción de los cultivos sin perjudicar el medio ambiente. Una de estas alternativas es el uso de bacterias.

¿Pero las bacterias no son malas?

Las bacterias siempre han tenido muy mala fama. Sabemos que provocan enfermedades como salmonelosis, legionelosis o gonorrea. A la mente nos viene ese anuncio de producto de limpieza que acaba con la suciedad y las dichosas bacterias de nuestra casa. ¿Cómo puede ser bueno algo así?

Pues bien, bacterias hay por todas partes. En el aire que respira, en su cuerpo, en su comida, en el botón del ascensor que pulsa para subir a casa, en la pantalla de su móvil, etc. Si todas fueran perjudiciales, tendríamos un serio problema.

Algunas son potencialmente perjudiciales, otras beneficiosas y otras, simplemente, conviven con nosotros en armonía. Y por supuesto, el suelo no es una excepción. En el suelo hay bacterias. Muchas bacterias. En un solo gramo de suelo sano, puede haber mil millones de bacterias. Pensémoslo de nuevo. En una cucharada grande de suelo hay más bacterias que habitantes tiene todo el planeta Tierra. Y en él, cumplen funciones muy importantes para mantener su viabilidad.

Las bacterias como fertilizantes vivientes

Muchas de estas bacterias no están en el suelo por casualidad. Algunas han conseguido establecer un pacto con las plantas, y a lo largo de los años se han adaptado a vivir con ellas.

Las bacterias se alimentan de lo que las plantas excretan por sus raíces y, a cambio, les hacen algunos favores. Por ejemplo, hay bacterias que producen hormonas vegetales que aumentan el crecimiento de las raíces. También ayudan a la planta a tomar nutrientes del suelo.

Elementos como el nitrógeno, el hierro y el fósforo son fundamentales para las plantas. Muchas veces, en el suelo hay cantidad suficiente de estos elementos, pero en formas en las que los vegetales no los pueden tomar. Es como si estuviéramos sentados sobre una montaña de granos de café, pero no pudiéramos tomar ni una taza. Necesitamos transformarlo. Eso hacen las bacterias por distintos mecanismos fisicoquímicos.

Por si fuera poco, también son capaces de producir compuestos contra determinados insectos, hongos y otras bacterias patógenas. Así, hay bacterias que son capaces de actuar como auténticos fertilizantes y pesticidas vivientes, y se estudia su uso como fertilizantes naturales en una gran variedad de cultivos.

Campo de cultivo de fresa bajo plástico en Huelva. Shutterstock / miquelito

Bacterias y fresas

La fresa es uno de los cultivos donde se estudia el uso de fertilizantes bacterianos porque constituye un motor económico y social fundamental para España, en especial para Andalucía. El problema es que su cultivo intensivo hace que necesite una gran cantidad de fertilizante y agua. Como consecuencia, los residuos contaminan suelos, aguas superficiales y subterráneas.

Si trasladamos esto al Parque Nacional de Doñana y su entorno, donde hay grandes extensiones de cultivos de fresa, la situación se agrava más. En la actualidad, en un proyecto financiado por la Junta de Andalucía estamos probando a usar fertilizantes bacterianos seleccionados en cultivos de fresa con fertilizante y riego reducidos un 30 %.

Reducir riego y fertilizantes no solo supone un alivio medioambiental, sino también una considerable rebaja de la inversión económica que hace el agricultor. En invernadero, se ha comprobado que las plantas regadas con una solución bacteriana no consiguen llegar a crecer igual que las tratadas con la cantidad de fertilizante y riego habituales. Sin embargo, es curioso el hecho de que logran producir casi las mismas fresas, en cantidad y tamaño.

Tras estas pruebas en invernadero, actualmente se están llevando a cabo pruebas en fincas reales en la provincia de Huelva, y habrá que esperar un poco para conocer los resultados. Por supuesto, son primeras tomas de contacto que hay que pulir hasta conseguir el efecto deseado. También hay que seguir trabajando en aspectos importantes para su aplicación, como la duración de su efecto, el estado del suelo y de las aguas a largo plazo, etc.

Parece que el uso de bacterias supone una promesa consistente para contribuir a desarrollar cultivos que necesiten menos fertilizantes y pesticidas químicos y riego. Sin embargo, hay que seguir trabajando en algunos aspectos relacionados con su aplicación a gran escala y a largo plazo. Y por qué no, esta estrategia ecológica iría muy bien acompañada de un replanteamiento del consumo y la producción en nuestra sociedad actual.

Publicado en The Conversation el 16 de septiembre de 2021. Enlace al original