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28-03-2016 : Informe

¿Supone el cambio climático un riesgo para los microbiomas del mundo?

Los investigadores están empezando a entender las complejidades de los microbios del suelo terrestre y el papel que desempeñan en el desarrollo de ecosistemas saludables. Ahora, el cambio climático amenaza la existencia de estos microbios y las importantes funciones que realizan.

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Rhizosphere_PNNL800Esporas de un hongo oportunista del suelo, el Penicillium sp. Ver la galería

Foto: PNNL

En 1994, Los científicos del Pacific Northwest National Laboratory trasladaron tierra de zonas húmedas con una altitud elevada a lugares más cálidos y secos con menos altitud y viceversa. En 2011, regresaron a aquellos lugares para estudiar de nuevo los microbios presentes en la tierra y descubrieron que habían hecho poco por adaptarse a su nuevo hogar desde el punto de vista funcional. Es una mala señal, afirman los expertos, para un mundo sacudido por el cambio climático.

“Estos microbios han perdido de algún modo la capacidad de adaptarse a las nuevas condiciones”, comenta Vanessa Bailey, una de las autoras del estudio, publicado este mes en PLOS One. Eso no es lo que los científicos esperaban y “pone en duda la resiliencia general del medio ambiente ante el cambio climático”, añade. “La tierra es la principal barrera para los cambios medioambientales, y la comunidad microbiana es la base de esa resiliencia”.

Con la fusión de la nieve y el hielo, resulta bastante fácil entender lo que el cambio climático significa para el futuro de, por ejemplo, los osos polares del Ártico o los pingüinos de la Antártida. Pero es más difícil comprender lo que está sucediendo en el microbioma planetario de la corteza de la Tierra y el agua, un millón de cuadrillones de microorganismos, según Scientific American. Y sin embargo es mucho más importante, porque los microbios rigen el mundo. Son agentes clave que perpetúan la vida en el planeta, proporcionan numerosos servicios al ecosistema y actúan como baluarte principal frente a los cambios medioambientales.

Los investigadores creen que, con el calentamiento del planeta, la diversidad y las funciones esenciales del mundo microbiano podrían perderse.

Pero también pueden causar problemas graves: al fundirse el permahielo, los microbios están transformando la vegetación que solía estar congelada en gases con efecto invernadero a un ritmo que está alarmando a los científicos.

Pese a ser vitales, no hemos hecho más que empezar a entender los microbios y su función en los ecosistemas del mundo. El problema es que estos hongos, arqueas y bacterias son tan pequeños que en un gramo de suelo (aproximadamente una cucharadita), hay miles de millones repartidos en muchos miles de especies. Y solo conocemos en torno a un 10 % de las especies. Las comunidades liliputienses que crean estos microorganismos son enormemente complejas y sus funciones resultan difíciles de desentrañar. Pero en la última década se han desarrollado nuevas herramientas que han empezado a cambiar la estrategia de investigación.

“La tierra era una caja negra”, señala Janet Jansson, científica principal de Ciencias Biológicas y de la Tierra en el Pacific Northwest National Laboratory y presidenta de la International Society for Microbial Ecology. “Llevo décadas trabajando en el campo de la ecología microbiana y ha sido difícil, si no imposible, estudiar estos organismos. Ahora disponemos de unos nuevos procesos moleculares y de repente se está produciendo una eclosión en este campo”.

Hay una urgencia comparable a la del Proyecto Manhattan por desentrañar estos secretos. Un artículo publicado el año pasado en la revista Science propuso la puesta en marcha de una Iniciativa Unificada para el Microbioma, y los expertos han celebrado una serie de reuniones sobre el tema en la Casa Blanca. El proyecto Microbioma Terrestre es una enorme iniciativa global para reunir muestras de comunidades microbianas de miles de ecosistemas de todo el mundo. Por su parte, la Iniciativa Global de Biodiversidad del Suelo arrancó en 2011 —un tercio de la biodiversidad del mundo vive bajo nuestros pies— y se centra en la preservación de los servicios proporcionados por los ecosistemas del suelo saludables, como un lugar para que crezcan las plantas, la separación de los desechos y la filtración natural del agua. El proyecto TerraGenome está secuenciando el metagenoma de los microbios del suelo.

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PNNL

Los microbiólogos del Pacific Northwest National Laboratory están estudiando cómo reaccionan los microbios del suelo ante el cambio climático.

Y el proyecto de Jansson, Microbiomas en Transiciones, está estudiando cómo afectan las “perturbaciones” —alteraciones como el cambio climático y la contaminación— a los microbiomas que nos rodean y a los que viven dentro de nosotros. “Resulta muy evidente que las bacterias, los hongos y los virus desempeñan una función importantísima en el desarrollo de la salud y la enfermedad en los humanos, y también en los entornos medioambientales y los sistemas ecológicos”, explica Jack Gilbert, un microbiólogo del Argonne National Laboratory y miembro fundador de la Iniciativa Unificada para el Microbioma.

Las nuevas herramientas surgieron como resultado del gran interés por el microbioma humano, que, según las nuevas investigaciones, está relacionado con todo, desde los desórdenes anímicos a las disfunciones del sistema inmune. Los microbios tienen una amplia gama de funciones, igualmente esenciales, en el mundo exterior. Son un sustrato saludable para la cadena alimentaria: las plantas y los bichos que se las comen dependen de los microbios del suelo.

El interés por los microbiomas del mundo natural también está eclosionando porque muchos investigadores son conscientes de que, a medida que el planeta se calienta, la diversidad y las funciones esenciales del mundo microbiano podrían perderse. Algunas zonas podrían dejar de ser aptas para el desarrollo de las cosechas que se cultivan en la actualidad. En Estados Unidos, por ejemplo, no se podría cultivar maíz en Iowa ni trigo en Kansas, porque los microbios que fijan actualmente en el suelo el nitrógeno para las raíces de las plantas dejarían de hacerlo. Y, a medida que sepamos más sobre el funcionamiento de los microbios, podremos encontrar maneras de ponerlos a trabajar al servicio de la adaptación, mejorando el crecimiento de las plantas, por ejemplo, en un clima cada vez más cálido.

Más urgente, sin embargo, es el hecho de que la tierra ha acumulado una gran cantidad de carbono y, si se liberara como C02, podría acelerar drásticamente el cambio climático. “La gran pregunta es si el suelo será un sumidero o una fuente de gases con efecto invernadero en el futuro”, señala Jansson.

Una de las principales áreas de estudio es un bucle de retroalimentación: el impacto del cambio climático en los microbios y el papel de los microbios en el cambio climático. Los microbios del suelo influyen de forma determinante en la cantidad de gas con efecto invernadero que el permahielo libera en la atmósfera, y esta es probablemente el área de estudio más crítica. La vegetación congelada, rica en microorganismos, se está descongelando por el rápido calentamiento del Ártico, y los microbios consumen la materia vegetal que pasa a estar disponible y liberan tanto C02 como metano, gases con un potente efecto invernadero.

Existe preocupación por la posibilidad de que algunos microbios clave se extingan antes de que descubramos lo que hacen.

Esto podría causar más calentamiento y deshielo, un bucle de retroalimentación positiva.

Entender esta dinámica es “realmente importante porque cerca de un 20 % de la superficie terrestre es permahielo”, explica Jansson. “Hay tanto C02 almacenado en el permahielo como almacenado en las plantas y en la atmósfera. ¿Qué sucede cuando el carbono pasa a estar accesible para los microorganismos recién activados que existen allí? Pueden acelerar el calentamiento climático y es preocupante”.

No es solo el permahielo. Toda la tierra contiene grandes depósitos de CO2, y los científicos están intentando entender cómo afectará el cambio climático a esos depósitos, y cómo se podrían liberar como resultado de las prácticas de gestión del suelo. Mucha de esta información ayudará a crear modelos más precisos del cambio climático global. Y también nos permitirán diseñar formas de alterar las prácticas de gestión del suelo para minimizar la cantidad de CO2 liberada por la tierra. La labranza y la desertificación, por ejemplo, liberan los gases con efecto invernadero de la tierra y les permiten llegar a la atmósfera. “Hay ciertos tipos de tierra en los que basta con arrastrar un arado para desplazar enormes cantidades de carbono”, señala Bailey. La siembra directa, que deja los residuos de las cosechas anteriores en la tierra y minimiza el arado, es mucho más beneficiosa porque proporciona a los microbios alimento y refugio.

Hay otras funciones que podrían perderse o verse reducidas si cambian las condiciones climáticas. Los microbios que se han adaptado a las condiciones de humedad en los bosques milenarios del noroeste del Pacífico, por ejemplo, podrían no ser capaces de realizar sus actividades si la tierra se calienta y se seca. Pensemos en la zona que rodea a las raíces de los árboles, en la que se da una relación de vital importancia entre los microorganismos y los árboles. Una comunidad de microbios densamente poblada del ancho aproximado de un dedo vive ahí y, a cambio de las exudaciones —azúcares— del árbol, limpian el agua que absorbe el árbol, un sistema de filtrado esencial en el ciclo hidrológico del planeta. Es un fenómeno tan potente que algunos ingenieros usan árboles, especialmente sauces y álamos, para limpiar los residuos tóxicos, lo que se denomina fitorremediación. Este servicio al ecosistema podría quedar reducido si estos microbios no logran adaptarse para mantener esta función a causa de un ascenso de las temperaturas del suelo o si los microbios desaparecen. Por suerte, hay mucha redundancia en estas comunidades, así que en algunos casos la función de los microbios afectados por el clima puede ser realizada por otros.

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Foto: PNNL

Primer plano de un hongo del suelo que rodea a la raíz de un pino.

No hay aún un veredicto sobre el efecto que el calentamiento tendrá en la filosfera, los microbios que viven en las hojas que ayudan a los árboles a fijar el nitrógeno y funcionan como un sistema inmune que protege a los árboles de las enfermedades. “Sabemos muy poco sobre cómo van a responder esos árboles y sobre si las plantas serán o no más susceptibles a los patógenos” cuando las temperaturas aumenten, afirma Mark Bradford, un experto de la Yale School of Forestry and Environmental Studies especializado en el papel que los microbios desempeñan en los bosques y las praderas.

La ciencia no ha alcanzado una conclusión definitiva sobre si los microbios pueden extinguirse. En lo referente a los microbios, “todo está en todas partes” es el mantra repetido por los investigadores que pensaban que todos los tipos vivían en todas partes, aunque su abundancia variaba de unos lugares a otros. A medida que aprendemos más sobre estos diminutos bichitos, algunos científicos empiezan a pensar que eso puede no ser cierto y les preocupa que algunos microbios esenciales puedan extinguirse antes de que descubramos lo que hacen. En 2003, un estudio publicado en la revista Ecosystems estimó que la biodiversidad de alrededor del 5 % de la tierra de Estados Unidos estaba “en peligro de sufrir una pérdida sustancial o una extinción completa”.

Los microbiomas desempeñan tipos de funciones similares en los océanos, en los que los investigadores prevén problemas parecidos. Hay una bacteria llamada trichodesmium, por ejemplo, que crece en las partes pobres en nutrientes del océano y crea gas de nitrógeno que lo fertiliza todo, desde el plancton a las ballenas. Para un estudio publicado el año pasado en la revista Nature Communications, estas bacterias se sometieron a unas condiciones más cálidas que simulaban las previsiones del clima futuro, y sufrieron un acelerón reproductivo y empezaron a engullir hierro y fósforo, unos nutrientes que existen en cantidades limitadas y que son necesarios para otros organismos. En una situación que hiciera desaparecer a esos otros microorganismos o, si la trichodesmium causara su propia extinción, quedaría un vacío en la cadena alimentaria.

Los microbios también se pueden usar con fines beneficiosos. Las investigaciones muestran que se pueden aplicar microbios a las semillas para activar las defensas naturales de las plantas frente a las plagas y reducir el uso de pesticidas o hacer las cosechas más resistentes a las sequías.

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Ciertos tipos de vermicompost —un fertilizante compuesto por las excrecencias y los rastros de las lombrices— han demostrado una gran capacidad para aumentar la presencia de microbios beneficiosos en el suelo, reducir las enfermedades de las plantas y mejorar sus defensas naturales frente a los insectos.

Y en Japón, los pescadores descubrieron una investigación que demostraba que los árboles en descomposición liberaban ácido húmico en el océano, una sustancia química que permitía a los organismos denominados fitoplancton fijar el hierro, un fertilizante, y aumentar exponencialmente su crecimiento. Crearon un grupo llamado Los bosque son los amantes del mar para plantar árboles por todo el país y recuperar los peces y el ganado mediante la estimulación del crecimiento del plancton, la base de la cadena alimentaria.

El conocimiento de estos diminutos sistemas naturales y de su función en el mundo es fundamental para el futuro. “Necesitamos entender claramente cómo se van a comportar los microbios en un clima cambiante”, explica Bailey. “Saber lo que va a suceder nos permitirá planificar mejor nuestras acciones”.

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Jim Robbins

Jim Robbins é um jornalista veterano que vive em Helena, em Montana. Ele escreveu para o New York Times, Conde Nast Traveler, e muitas outras publicações. Seu último livro é The Man Who Planted Trees: Lost Groves, Champion Trees, and an Urgent Plan to Save the Planet.MAIS DESTE AUTOR