Los científicos hurgan y pinchan en los márgenes de la habitabilidad en busca de los límites de la vida. Con ese fin, han tunelizado kilómetros por debajo de la superficie de la Tierra. Para su sorpresa, "la vida estaba en todas partes que mirábamos", dijo Tori Hoehler, química y astrobióloga del Centro de Investigación Ames de la NASA.
Y estaba presente en cantidades asombrosas. Según varias estimaciones, el reino subsuperficial habitado tiene el doble de volumen que los océanos y se mantiene en el orden de 1.030 células, lo que lo convierte en uno de los hábitats más grandes del planeta, así como uno de los más antiguos y diversos.
El reino subsuperficial habitado tiene el doble de volumen que los océanos
Los investigadores todavía están tratando de entender cómo sobrevive la mayor parte de la vida allí abajo. La luz solar para la fotosíntesis no puede alcanzar tales profundidades y la escasa cantidad de alimentos orgánicos de carbono que lo hace a menudo se agota rápidamente.
A diferencia de las comunidades de organismos que habitan cerca de respiraderos hidrotermales en el fondo marino o dentro de regiones continentales calentadas por la actividad volcánica, los ecosistemas aquí generalmente no pueden confiar en los procesos de alta temperatura que sustentan cierta vida subsuperficial independiente de la fotosíntesis.
Dos artículos aparecidos en febrero por diferentes grupos de investigación ahora parecen haber resuelto parte de este misterio para las células que viven debajo de los continentes y en los sedimentos marinos profundos. De tal forma que han encontrado evidencia de que, por mucho que las reacciones de fusión nuclear del sol proporcionen energía al mundo de la superficie, un tipo diferente de proceso nuclear —la desintegración radiactiva— puede sostener la vida en las profundidades.
Por mucho que las reacciones de fusión nuclear del sol proporcionen energía al mundo de la superficie, un tipo diferente de proceso nuclear puede sostener la vida en las profundidades
La radiación de átomos inestables en rocas puede dividir moléculas de agua en hidrógeno y peróxidos y radicales químicamente reactivos. Algunas células pueden utilizar el hidrógeno como combustible directamente, mientras que los productos restantes convierten los minerales y otros compuestos circundantes en fuentes de energía adicionales.
Aunque estas reacciones radiolíticas producen energía mucho más lentamente que el sol y los procesos térmicos subterráneos, los investigadores han demostrado que son lo suficientemente rápidas como para ser impulsores clave de la actividad microbiana en una amplia gama de entornos, y que son responsables de una diversa reserva de moléculas orgánicas y otros productos químicos importantes para la vida.
Según Jack Mustard, un geólogo planetario de la Universidad de Brown que no participó en el nuevo trabajo, la explicación de la radiólisis ha "abierto nuevas perspectivas" sobre cómo podría ser la vida, cómo podría haber surgido en una Tierra primitiva y dónde más en el universo podría encontrarse algún día.
La radiólisis ha "abierto nuevas perspectivas" sobre cómo podría ser la vida, cómo podría haber surgido en una Tierra primitiva y dónde más en el universo podría encontrarse algún día
Cantidades de hidrógeno generadas por la radiólisis del agua
Barbara Sherwood Lollar partió a la universidad en 1981, cuatro años después del descubrimiento de la vida en los respiraderos hidrotermales. Como hija de dos maestros que "me alimentaron con una dieta constante de Julio Verne", dijo, "todo esto le habló al niño que estaba en mí". El estudio del subsuelo profundo no solo era una forma de "entender una parte del planeta que nunca se había visto antes, un tipo de vida que aún no entendíamos", sino que "claramente iba a pisotear [los] límites" entre la química, la biología, la física y la geología, permitiendo a los científicos combinar esos campos de maneras nuevas e intrigantes”.
Barbara Sherwood Lollar, geoquímica de la Universidad de Toronto, y sus colegas demostraron que las grandes cantidades de hidrógeno en fluidos de minas profundas probablemente fueron generadas por la radiólisis del agua.
Los investigadores propusieron que podría haber "una biosfera profunda activada por hidrógeno", llena de células que utilizan gas hidrógeno como fuente de energía
A lo largo de la formación de Sherwood Lollar en la década de 1980 y su carrera temprana como geóloga en la Universidad de Toronto en los años 90, se descubrieron más y más comunidades microbianas subterráneas.
El enigma de lo que sustentaba esta vida llevó a algunos investigadores a proponer que podría haber "una biosfera profunda activada por hidrógeno", llena de células que utilizan gas hidrógeno como fuente de energía.
A principios de la década de 2000, Sherwood Lollar, Li-Hung Lin (ahora en la Universidad Nacional de Taiwán), Tullis Onstott de la Universidad de Princeton y sus colegas estaban encontrando altas concentraciones de hidrógeno , "en algunos casos, sorprendentemente altas", dijo Sherwood Lollar , en el agua aislada de las profundidades debajo de la corteza sudafricana y canadiense. Pero la serpentinización no podía explicarlo: los tipos de minerales necesarios a menudo no estaban presentes. Tampoco los otros procesos parecían probables, debido a la ausencia de actividad volcánica reciente y flujos de magma.
La radiólisis del agua se observó por primera vez en el laboratorio de Marie Curie a principios del siglo 20, cuando los investigadores se dieron cuenta de que las soluciones de sales de radio generaban burbujas de hidrógeno y oxígeno
"Así que comenzamos a buscar y ampliar nuestra comprensión de las reacciones productoras de hidrógeno y su relación con la química y la mineralogía de las rocas en estos lugares", dijo Sherwood Lollar.
Una pista surgió de su descubrimiento de que el agua atrapada en esos lugares rocosos contenía no solo grandes cantidades de hidrógeno, sino también helio, un indicador de que las partículas de la desintegración radiactiva de elementos como el uranio y el torio estaban dividiendo las moléculas de agua. Ese proceso, la radiólisis del agua, se observó por primera vez en el laboratorio de Marie Curie a principios del siglo 20, cuando los investigadores se dieron cuenta de que las soluciones de sales de radio generaban burbujas de hidrógeno y oxígeno. Curie lo llamó "una electrólisis sin electrodos". (Los científicos tardaron unos años más en darse cuenta de que el oxígeno provenía del peróxido de hidrógeno creado durante el proceso).
Sherwood Lollar, Lin, Onstott y sus colaboradores propusieron en 2006 que las comunidades microbianas bajo Sudáfrica y Canadá obtenían la energía para su supervivencia del hidrógeno producido a través de la radiólisis. Así comenzó su larga búsqueda para desentrañar lo importante que podría ser ésta para la vida en entornos naturales.
Un sistema completamente autosuficiente
Durante gran parte de la siguiente década, los investigadores obtuvieron muestras de acuíferos profundos en varios sitios mineros y relacionaron las complejas químicas de los fluidos con su entorno geológico. Parte del agua atrapada debajo de la corteza canadiense había sido aislada de la superficie durante más de mil millones de años, tal vez incluso por dos mil millones. Dentro de esa agua había bacterias, todavía muy vivas.
"Eso tenía que ser un sistema completamente autosostenible", observó Mustard. Por el proceso de eliminación, la radiólisis parecía una posible fuente de energía, pero ¿podría haber suficiente para sostener la vida?
Se descubrío que era probable que la radiólisis y otros procesos estuvieran produciendo una gran cantidad de hidrógeno en el subsuelo continental
En 2014, cuando Sherwood Lollar y sus colegas combinaron los resultados del trabajo de laboratorio de los químicos nucleares con modelos de la composición mineral de la corteza, descubrieron que era probable que la radiólisis y otros procesos estuvieran produciendo una gran cantidad de hidrógeno en el subsuelo continental, a la par con la cantidad de hidrógeno que se cree que surge de los entornos hidrotermales y otros entornos de aguas profundas. "Duplicamos la estimación de la producción de hidrógeno a partir de reacciones de roca de agua en el planeta", dijo Sherwood Lollar.
Los microbios podían utilizar directamente el hidrógeno producido por la radiólisis, pero eso era sólo la mitad de la historia. Para hacer un uso completo de él, necesitaban no sólo hidrógeno como donante de electrones, sino otra sustancia como aceptor de electrones. En un trabajo publicado en 2016, mostraron que el peróxido de hidrógeno radiolítico probablemente estaba interactuando con sulfuros en las paredes de una mina canadiense para producir sulfato, un aceptor de electrones. Pero Sherwood Lollar y sus colegas todavía necesitaban pruebas de que las células dependían de ese sulfato para obtener energía.
Al cultivar bacterias de las aguas subterráneas en las minas, pudieron demostrar que los microbios hacían uso tanto del hidrógeno como del sulfato
En 2019, finalmente lo consiguieron. Al cultivar bacterias de las aguas subterráneas en las minas, pudieron demostrar que los microbios hacían uso tanto del hidrógeno como del sulfato. Agua, algo de decaimiento radiactivo, un poco de sulfuro, "y luego se obtiene un sistema sostenido de producción de energía que puede durar miles de millones de años ... como un pulso ambiental de habitabilidad", afirmó Jesse Tarnas, científico planetario y becario postdoctoral de la NASA.
En su artículo de febrero, Sherwood Lollar y sus colegas mostraron que la radiólisis es instrumental no solo en los ciclos de hidrógeno y azufre en la Tierra, sino en el ciclo más estrechamente asociado con la vida: el del carbono. Los análisis de muestras de agua de la misma mina canadiense mostraron concentraciones muy altas de acetato y formiato, compuestos orgánicos que pueden soportar la vida bacteriana.
Por otra parte, las medidas de firmas isotópicas indicaron que los compuestos se estaban generando abióticamente. Los investigadores plantearon la hipótesis de que los productos radiolíticos estaban reaccionando con minerales de carbonato disueltos de la roca, para producir las grandes cantidades de moléculas a base de carbono que estaban observando.
En un trabajo publicado en marzo, fijaron los mecanismos precisos y los rendimientos de la radiólisis en presencia de carbonato disuelto
Para cimentar su hipótesis, el equipo de Sherwood Lollar necesitaba pruebas adicionales. Llegó apenas un mes después. Los químicos nucleares dirigidos por Laurent Truche, un geoquímico de la Universidad de Grenoble Alpes en Francia, y Johan Vandenborre de la Universidad de Nantes habían estado estudiando de forma independiente la radiólisis en entornos de laboratorio. En un trabajo publicado en marzo, fijaron los mecanismos precisos y los rendimientos de la radiólisis en presencia de carbonato disuelto. Midieron concentraciones exactas de varios subproductos, incluyendo formiato y acetato, y las cantidades y tasas que registraron se alinearon con lo que Sherwood Lollar estaba viendo en las fracturas profundas dentro de la roca natural.
Bajo el fondo del mar
Mientras Sherwood Lollar realizaba su investigación de campo dentro del subsuelo continental, un puñado de científicos intentaba descubrir los efectos de la radiólisis bajo el fondo marino. El principal de ellos fue Steve D'Hondt, un geomicrobiólogo de la Universidad de Rhode Island, quien en febrero con su estudiante graduada Justine Sauvage y sus colegas publicaron los resultados de casi dos décadas de evidencia detallada de que la radiólisis es importante para sostener la vida del subsuelo marino.
Descubrieron que la cantidad de hidrógeno producido era mucho mayor que cuando se irradiaba agua pura
En 2010, D'Hondt y Fumio Inagaki, geomicrobiólogos de la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología Marino-Terrestre, dirigieron una expedición de perforación que recogió muestras de sedimentos del subsuelo marino de todo el mundo. Posteriormente, D'Hondt y Sauvage suspendieron docenas de tipos de sedimentos en el agua y los expusieron a diferentes tipos de radiación, y cada vez, descubrieron que la cantidad de hidrógeno producido era mucho mayor que cuando se irradiaba agua pura. Los sedimentos estaban amplificando los productos de la radiólisis. Y "los rendimientos fueron ridículos", dijo D'Hondt. En algunos casos, la presencia de sedimentos en el agua aumentó la producción de hidrógeno en un factor de casi 30.
Sin embargo, D'Hondt y sus colegas apenas encontraron hidrógeno en los núcleos de sedimentos que habían perforado. "Cualquier hidrógeno que se esté produciendo está desapareciendo", dijo D'Hondt. Los investigadores creen que estaba siendo consumido por los microbios que viven en los sedimentos.
Según sus modelos, en sedimentos profundos de más de unos pocos millones de años de antigüedad, el hidrógeno radiolítico se produce y consume más rápidamente que la materia orgánica
Según sus modelos, en sedimentos profundos de más de unos pocos millones de años de antigüedad, el hidrógeno radiolítico se produce y consume más rápidamente que la materia orgánica, lo que hace que la radiólisis del agua sea la fuente dominante de energía en esos sedimentos más antiguos. Si bien representa sólo entre el 1% y el 2% de la energía total disponible en el medio ambiente mundial de sedimentos marinos -el otro 98% proviene del carbono orgánico, que se consume principalmente cuando el sedimento es joven-, sus efectos siguen siendo considerables. "Podría ser lento", dijo Doug LaRowe, un científico planetario de la Universidad del Sur de California, "pero desde una perspectiva geológica, y a lo largo del tiempo geológico ... empieza a sumar".
Esto significa que la radiólisis "es una fuente fundamental de energía biodisponible para un microbioma significativo en la tierra", dijo Sauvage, no solo en los continentes, sino también debajo de los océanos. "Es bastante llamativo".
La nueva importancia científica de la radiólisis puede no estar relacionada sólo con la forma en que sostiene la vida en ambientes extremos. También podría iluminar cómo la síntesis orgánica abiótica puede haber establecido el escenario para el origen de la vida, en la Tierra y en otros lugares.
Sherwood Lollar se ha visto reforzada por las recientes observaciones de su equipo de que, en el sistema ambiental cerrado alrededor de las minas canadienses, la mayoría de los compuestos que contienen carbono parecen haber sido producidos abióticamente. "Es uno de los pocos lugares en el planeta donde la mancha de vida no lo ha contaminado todo", dijo. "Y esos son lugares bastante raros y preciosos en nuestro planeta".
Parte de su valor único es que pueden ser "un análogo de lo que podría haber sido la sopa prebiótica que nuestra Tierra podría haber tenido antes de que surgiera la vida"
Parte de su valor único es que pueden ser "un análogo de lo que podría haber sido la sopa prebiótica que nuestra Tierra podría haber tenido antes de que surgiera la vida", continuó. Incluso si la vida no surgiera en este tipo de ambiente subsuperficial -las regiones de mayor energía del planeta, como los respiraderos hidrotermales, son lugares aún más probables para una historia de origen- proporcionó un lugar seguro, donde la vida podría sostenerse durante largos tramos de tiempo, lejos de los peligros encontrados en la superficie (como los impactos de meteoros y los altos niveles de radiación que plagaron la Tierra primitiva).
El trabajo ha demostrado que incluso los sistemas simples (que consisten únicamente en hidrógeno, dióxido de carbono y sulfato, por ejemplo) pueden conducir a redes alimentarias microbianas extremadamente intrincadas; la adición de compuestos como el formiato y el acetato de radiólisis a la mezcla podría ampliar significativamente el paisaje ecológico potencial. Y debido a que el acetato y el formiato pueden formar orgánicos más complejos, es posible que den lugar a sistemas aún más diversos. "Es importante ver que la vida funciona con esta cantidad de complejidad", dijo Cara Magnabosco, geobióloga del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich, "incluso en algo que tal vez verías como muy simple y muy pobre en energía".
El trabajo ha demostrado que incluso los sistemas simples pueden conducir a redes alimentarias microbianas extremadamente intrincadas
"Digamos que [la radiólisis] solo puede producir carbonos orgánicos básicos, como el formiato y el acetato", dijo LaRowe. "Si mueves esos compuestos a un entorno ambiental diferente, tal vez puedan reaccionar allí para formar otra cosa. Se convierten en material de arranque o de alimentación para reacciones más complejas en un entorno diferente".
La Luz solar y otras condiciones no serían necesarias para sostener la vida extraterrestre
Los astrobiólogos también se están dando cuenta de lo crucial que podría ser considerar la radiólisis al restringir la habitabilidad de planetas y lunas en todo el sistema solar y el resto de la galaxia. La luz solar, las altas temperaturas y otras condiciones podrían no ser estrictamente necesarias para sostener la vida extraterrestre. La radiólisis debería ser prácticamente omnipresente en cualquier planeta rocoso que tenga agua en su subsuelo.
Tomemos como ejemplo Marte. En un par de estudios, uno publicado hace un par de años y el otro el mes pasado, Tarnas, Mostaza, Sherwood Lollar y otros investigadores tradujeron el trabajo cuantitativo que se está haciendo sobre la radiólisis en la Tierra al subsuelo marciano. Descubrieron que, sobre la base de la composición mineral del planeta y otros parámetros, Marte hoy en día podría ser capaz de sostener ecosistemas microbianos similares a los de la Tierra, solo con radiólisis. Los científicos identificaron regiones del planeta donde la concentración microbiana probablemente sería mayor, lo que podría guiar hacia dónde deberían dirigirse las futuras misiones.
"Es realmente fascinante para mí", dijo Inagaki, "ya que ahora estamos en una era en la que la física de partículas es necesaria para estudiar la vida microbiana en el interior planetario de la Tierra y otros mundos en el universo".
Fuente: Quanta Magazine.
