La eterna batalla por el reino N
La Tierra
Ant-man (el hombre hormiga) es un superhéroe de los vengadores de Marvel que puede, a voluntad, hacerse más pequeño que los microbios y tan grande como el mayor dinosaurio conocido hasta hoy (Patagotitan). En su reciente película, Quantumania, Ant-man y sus coprotagonistas ingresan en una dimensión del multiverso conocida como el “Reino cuántico”, a la que sólo pueden acceder a través del encogimiento subatómico y en donde encuentran toda variedad de criaturas, muchas de ellas con apariencias aberrantes inspiradas en parásitos.
No necesitamos irnos a escalas tan minúsculas como la subatómica para identificar la existencia de estos reinos invisibles al ojo humano en la naturaleza. Es más, los encontramos con frecuencia en nuestra propia nariz, piel, intestino, y en los sitios más recónditos y extremos como en los lodos del fondo de lagos y mares, incluso en fuentes de aguas termales. Estos reinos son habitados por una amplia variedad de microrganismos, principalmente por virus, bacterias y arqueas (que son similares a las bacterias, pero no lo mismo).
En Quantumania, el villano Kang El Conquistador pretende escapar de la dimensión en la que se encuentra cautivo, y para ello debe reparar el núcleo de la Silla del Tiempo que le permitía viajar por el multiverso. La situación de los habitantes de este reino se parece a la de muchos microorganismos que habitan los lodos carentes de oxígeno (O2), también llamados por los expertos sedimentos anaeróbicos, ya que a varios de ellos les es perjudicial la presencia del O2, por lo que trasladarse fuera de allí, sin un medio de transporte adecuado, conduciría a su inhibición o incluso a la muerte. Sería interesante imaginar que estos microbios sensibles al O2 pudieran abrir un portal interdimensional para colonizar nuevos sustratos anaeróbicos, justo como el que Kang quería atravesar para encontrar versiones de sí mismo que reclutaría con el fin de expandir su imperio en el multiverso.
El reino microbiano de la Bahía de San Quintín
Es muy probable que no conozcas la laguna Bahía de San Quintín (BSQ), ubicada a 308 Km al sur de Tijuana (Baja California). Aunque no es el lugar más concurrido por el turismo, es una de las lagunas costeras en mejor estado de conservación del noroeste mexicano, que, además de producir deliciosos ostiones y almejas, ha sido muy bien estudiada por especialistas del océano y otros campos afines a la investigación del reino microbiano. Si bien esta laguna puede parecer muy tranquila, en realidad es el campo de una contienda épica y permanente entre los microbios de los sedimentos anaeróbicos, los cuales adquieren, transforman y remueven diferentes moléculas que contienen nitrógeno (N).
El N es uno de los “nutrientes” imprescindibles para cualquier ser vivo, ya que forma parte del ADN y de las proteínas, pero habitualmente las formas que son útiles para los organismos llamados autótrofos, como las plantas acuáticas, las micro y macroalgas, que se encuentran agotadas en la superficie de los océanos o son insuficientes en comparación con otros elementos vitales (carbono, fósforo y azufre, entre otros), por lo que se ven imposibilitados para “engordar” y ser más “prolíficos” en descendencia.
Así como hay luchas entre héroes y villanos en el reino cuántico, existe un duelo por el N entre dos grandes facciones de microrganismos que cuentan con versátiles maquinarias fisiológicas como “instrumentos de batalla”. Por un lado, se encuentran los diazótrofos, que ingresan N al mar al capturar y romper las moléculas inertes del gas dinitrógeno (N2) provenientes de la atmósfera, y que se encuentra disuelto en el agua, para generar el amoniaco, un precursor de otras moléculas biológicamente “aprovechables”. Por otro lado, se encuentran los desnitrificantes junto con los oxidadores anaeróbicos de amonio (anammox) que, aunque no están ni cercanamente emparentados, ambos remueven N del mar al convertir diferentes nutrientes ricos en N (nitrato, nitrito, amonio) en N2 y óxido nitroso que, al ser gases, se escapan hacia la atmósfera.
Ok, ya entendemos que los diazótrofos son los pepenadores del N2 que nadie quiere, ya que tras captar y romper esta molécula dentro de su célula la pueden reutilizar con un poco de chamba como nutriente, pero, ¿qué obtienen a cambio los microorganismos que tras fabricar las moléculas de N2 las eliminan de su célula? Tal vez las respuestas suenen algo complejas, ya que para los desnitrificantes, el nitrato y nitrito que convierten a N2, tienen la misma función que el oxígeno (O2) que respiran nuestras células, que es obtener energía de la oxidación del alimento; en los anammox, en cambio, la energía que se obtiene de la oxidación del amonio se utiliza para reducir químicamente el nitrito a N2 y muy probablemente, para reducir otros compuestos o elementos de importancia metabólica (hierro, manganeso). Lo importante aquí es que cada uno de estos bandos del reino microbiano contribuyen al balance general de N, es decir, pugnan y se contrarrestan para que eventualmente el sedimento anaeróbico se comporte como una “fuente” de estas formas aprovechables del N, o como un “sumidero”. Esto implica la posibilidad de ofrecer más de este nutriente a los que necesitan, así como de remover su exceso fuera del sistema.
¿A favor de quién se inclina la balanza?
Como en Star Wars, cuando un jedi o un Sith elige ceder o no a sus miedos, o al tomar decisiones egoístas, la balanza que sostiene La fuerza y el Lado oscuro se desequilibra. Tal vez sería una utopía esperar que en la batalla microbiana por el N sedimentario encontráramos, bajo condiciones naturales, un equilibrio permanente; es decir, que la incorporación de este elemento por diazótrofos fuera equivalente a sus pérdidas por actividad de desnitrificantes y anammox.
En los sedimentos de la BSQ, dicha batalla entre ambas facciones suele ser dominada por los que remueven el N, eso nos dice la evidencia experimental [1]. En nuestro grupo de investigación en biogeoquímica del Instituto de Investigaciones Oceanológicas (IIO) de la UABC hemos cuantificado ambas rutas, por lo que su variabilidad y disparidad podría dejarte perplejo. Esto, al parecer, no es algo típico de la BSQ; es mucho más frecuente de lo que se ha visto para sedimentos anaeróbicos. Así lo comentan también varios estudios, y es que estos resultados les han permitido establecer que, en las zonas costeras, donde se acumula una gran parte de la productividad de los océanos, la remoción sedimentaria de N a la atmósfera alcanza entre un 10 y 40% de las pérdidas globales de este elemento [2].
Entonces, ¿se podría decir que se está agotando el N del sedimento?, y ¿qué va a suceder cuando se acabe? En este sentido, te tranquilizará saber que la remoción por desnitrificantes y anammox en sedimentos apenas puede contrarrestar la acumulación excesiva de N. En algunos casos este enriquecimiento ocurre de manera natural porque los sistemas reciben continuamente aportes de ríos, de corrientes marinas y de materiales de la superficie que luego se descomponen en los sedimentos; en otras circunstancias, sin embargo, la polución, es decir aquel tipo de contaminación muy intensa y dañina, y las malas prácticas agrícolas incrementan la concentración de nutrientes lo que puede conllevar a efectos colaterales que amenazan la salud del ecosistema.
Aliados o enemigos
Regresemos al Reino cuántico de Marvel, donde nuestros protagonistas en su batalla final reciben apoyo de varios personajes secundarios para derrotar a las fuerzas de Kang, tales como un grupo de rebeldes locales, Jentorra, Quaz y Veb, y el mismo Modok, quien fue un enemigo en una película anterior y que ahora traiciona a nuestro villano. De manera similar, el sobrante de N en sedimentos tiene varios aliados que ayudan a reabastecer sus niveles. Se trata de la comunidad de “mineralizadores” conformada por diversos hongos y procariotas (células sin núcleo definido) que participan específicamente en diferentes etapas del proceso de descomposición y reciclamiento de la materia orgánica (restos vegetales, cadáveres y desechos de organismos). En palabras más simples, la actividad de los mineralizadores es comparable al papel reciclado que haces en casa, pero con la gran diferencia de que en vez de ser tú quién lleva a cabo todas y cada una de las tareas (seleccionar el papel, cortar, remojar, mezclar, triturar, escurrir, secar, extender, etc.), en el sedimento son varios grupos de microrganismos especializados quienes realizan un número limitado de oficios. Unos llevan a cabo distintas rupturas y degradaciones de moléculas orgánicas de mayor tamaño en fracciones más simples (urea y amonio y pequeños azúcares, ácidos grasos, y aminoácidos); otros, posteriormente, concluyen oxidándolas (reacción con oxígeno u otros agentes oxidantes) a compuestos inorgánicos que, si bien, al final abastecen las reservas de N, también estimulan la remoción de este elemento a N2 o N2O.
Todo héroe tiene su kriptonita
Hasta la fecha la comunidad científica no logra ponerse de acuerdo sobre por qué los diazótrofos no acortan esta brecha respecto a la magnitud de la remoción de N. Lo primero que debemos considerar es que la fijación de N2 es un proceso energéticamente costoso. Algunos diazótrofos, como los que viven suspendidos en el agua, suelen fijar el N2 cuando no hay más opciones que emplear más energía para aliviar el “hambre”. Lo segundo a tener en cuenta es que no siempre las condiciones que requieren (temperatura, pH, ausencia de O2, disponibilidad de fósforo, hierro, y materia orgánica disuelta, entre otros) resultan ser las más óptimas para estos guerreros.
La principal arma de los diazótrofos reside en la enzima nitrogenasa, por la cual pueden efectuar la fijación de N2. Sin embargo, su debilidad es que es “oxigenofóbica”; esto significa que se inactiva irreversiblemente por exposición al O2, incluso si este se encuentra en muy bajas concentraciones. Por ejemplo, las cianobacterias (bacterias fotosintéticas) diazotróficas, que viven en la superficie del sedimento, programan su agenda de actividades diarias para evitar esta inactivación por el O2. A diferencia de tú como ser humano que estudias y te diviertes durante el día, varias poblaciones de cianobacterias fijan el N2 en la noche, cuando predomina la respiración y no hay la luz solar para generar el O2 como resultado de la fotólisis (ruptura de la molécula de agua). Otras cianobacterias diazotróficas, en cambio, que suelen formar colonias de células en filamentos o tricomas, prefieren segregar espacialmente esta tarea para protegerse del O2, lo que podría asemejarse a cuando deseamos quitarnos el frio para ir a dormir; unos optan por hacerse “bolita”, mientras otros por ponerse ropa o cobijas más abrigadoras. Ciertos tricomas se agrupan y enredan masivamente a manera de marañas, aislando del O2 a las células del interior para que estas fijen. Otras adaptaciones han llegado a ser incluso más radicales para protegerse de este gas. Por ejemplo, la modificación de algunas de sus células para no realizar fotosíntesis y evitar la entrada de gases a través de sus paredes celulares.
A veces, la disponibilidad de materia orgánica más nutritiva o la más fácil de descomponer como los azúcares simples, los aminoácidos y los polipéptidos, resulta en un motivo más de disputa entre algunos diazótrofos heterótrofos y desnitrificantes. Debes saber que la materia orgánica se vuelve más escasa y difícil de digerir conforme nos adentramos en el sedimento, por lo que la rivalidad entre estas facciones puede ser exacerbada por la limitación para obtener fuentes de carbono y de energía.
Ni cortos ni perezosos
Algo que nos parece insólito y que ha generado varios cuestionamientos sobre la actividad de algunos diazótrofos, sobre todo de aquellos del tipo de los que no producen su propio alimento, pero que obtienen energía a partir de la luz solar, es decir foto-heterótrofos, ha sido el cómo logran mantener encendida la maquinaria de la fijación de N2 a pesar de encontrarse en hábitats con elevados niveles de N en forma de amonio. Es como si, aunque tu refrigerador esté lleno de alimentos para preparar en casa, sigas consumiendo comida en la calle, más cara y tal vez menos nutritiva.
Hasta la fecha no encontramos una explicación satisfactoria. Sin embargo, algunos especuladores sospechan que estos microbios lo hacen para liberar el “estrés”, ¡Sí, así como lo oyes! Esto podría ser parte de una adaptación fisiológica para liberar la energía acumulada procedente de reacciones químicas o de la luz solar que captan, y posteriormente, evitar daños en la célula [3]. De esta manera direccionan el exceso de protones hacia la demandante maquinaria de la nitrogenasa para que ella los emplee en la reducción química del N2 a amoniaco.
Al final de los créditos de la película Ant-Man y la Avispa: Quantumania se nos revela la existencia de millones de Kang alternativos pertenecientes al multiverso de Marvel, lo que deja implícito que esta batalla entre el bien y el mal es apenas el principio y el final de infinitas aventuras. Los sedimentos y sus reinos microbianos dominan las costas, y aunque tenemos menos observaciones en las cuencas oceánicas profundas, existen evidencias de que también habitan comunidades, proveyendo un sin número de posibilidades para el desenlace de las batallas por el N. Hoy, aparentemente, la balanza está mayoritariamente inclinada hacia los desnitrificantes y anammox; mañana… quién sabe. Pero los registros naturales de N orgánico y otros elementos en el sedimento marino conservan gran parte de la historia pasada y presente de la epopeya por el N en el reino microbiano. Y es que, a lo largo de las eras geológicas, el balance regional y global del N ha fluctuado entre una facción y otra [4], retroalimentado por las variaciones en las condiciones ambientales de nuestro planeta (calentamientos y enfriamientos extremos) que ocurren por el popular “cambio climático”. Sea cual sea el destino del balance del N, es indiscutible que la evolución ha equipado a los habitantes del reino microbiano de una estupenda capacidad que les permite contender y colaborar en un entorno anaeróbico del sedimento. Es preciso seguir aprendiendo de estos ambientes y reinos por su importancia en los ciclos de los elementos químicos necesarios para la vida.
Referencias
[1] Hernández-López, J., Camacho-Ibar, V. F., Macías-Tapia, A., McGlathery, K. J., Daesslé, L. W., & Sandoval-Gil, J. M. (2017). Fijación bentónica de nitrógeno en praderas de Zostera marina de una laguna costera influenciada por surgencias. Ciencias Marinas, 43(1), 35–53. https://doi.org/10.7773/cm.v43i1.2700
[2] DeVries, T., Deutsch, C., Rafter, P. A., & Primeau, F. (2013). Marine denitrification rates determined from a global 3-D inverse model, Biogeosciences. 10, 2481–2496, https://doi.org/10.5194/bg-10-2481-2013
[3] Knapp, A.N. (2012). The sensitivity of marine N2 fixation to dissolved inorganic nitrogen. Frontiers in Microbiology. 3:374. https://doi.org/10.3389/fmicb.2012.00374
[4] Emmer, E., & Thunell, R.C. (2010). Nitrogen isotope variations in Santa Barbara Basin sediments: Implications for denitrification in the eastern tropical North Pacific during the last 50,000 years. 15(4), 377-387. https://doi.org/10.1029/1999PA000417
Portada: Bahía Falsa, brazo de la Laguna de Bahía de San Quintín, B.C. Nótense los volcanes extintos en el horizonte y los cultivos de ostiones sobre las praderas de pastos marinos (fotografía Víctor F. Camacho Ibar).
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