A pesar de la relevancia que tienen los microorganismos en el planeta, los efectos del cambio climático en las comunidades microbianas han sido escasamente abordados. El investigador CAPES, Bernardo González, junto a Rafael Vicuña de la Facultad de Ciencias Biológicas UC, comentaron sobre los desafíos que traen este tipo de perturbaciones en el estudio de las comunidades microbianas que, literalmente, cubren el planeta. Presentamos un extracto de este paper, publicado en la revista Revista Chilena de Historia Natural.
En la era del Antropoceno en la que vivimos, las actividades humanas están afectando el ambiente como nunca antes. Como resultado de esto, los científicos hoy discuten, entre otros temas, cuánto del cambio climático observado es causa de las emisiones de gases de efecto invernadero de la industria y el transporte. Además, la severa polución en los océanos, los cuerpos de agua dulce y el suelo, genera gran preocupación entre los gobiernos locales y las organizaciones internacionales. Actividades agrícolas y forestales, por su parte, también contribuyen a la erosión y degradación de los suelos, mientras cambios en su uso amenazan a los ecosistemas terrestres.
El uso descontrolado tanto de recursos naturales renovables como no renovables afecta a la biodiversidad por motivo del impacto que éste tiene sobre el cambio climático y la contaminación ambiental. Y aún cuando nos preocupa el daño que fenómenos como la sobreexplotación minera, la deforestación del bosque amazónico y la polución de plásticos en los océanos tienen sobre la flora y la fauna, entendiblemente tendemos a enfocarnos principalmente en las especies que nuestros ojos pueden ver. Por ejemplo, en el caso del Amazonas, hablamos de árboles, arbustos, mamíferos y aves en peligro de extinción. En los océanos, los estudios se centran en las cien especies marinas y el millón de aves que mueren cada año por el consumo o el atrapamiento por plásticos.
Sin embargo, poco se discute sobre el impacto de las actividades humanas, el cambio climático y la contaminación ambiental sobre las comunidades de microbios. Aquello es paradójico por dos razones: la biodiversidad microbiana es probablemente varios órdenes de magnitud más alta que la biodiversidad de plantas y animales (1.75 millones de especies descritas). Adicionalmente, microorganismos de los tres dominios de la vida (Bacterias, Arqueas y especies de cinco reinos de Eukarya) juegan un rol insustituible en el mantenimiento de la salud de los ecosistemas globales que sostienen todas las formas de vida. Esto, al ser parte de holobiontes tanto vegetales como animales (incluyendo a los humanos), por medio de funciones que actualmente están lejos de entenderse a cabalidad. No conforme con ello, éstos son responsables del ciclo biogeoquímico de los principales elementos necesarios para la vida, y del metabolismo de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono, el metano, el óxido nítrico y el óxido nitroso. En ese contexto, debemos mencionar que 10 de los 17 Objetivos de Desarrollo Sustentable definidos por las Naciones Unidas están directamente relacionados con fenómenos o procesos donde los microorganismos tienen un papel preponderante.
Un ejemplo paradigmático que ilustra la influencia que tienen los microorganismos a la hora de determinar la condiciones ambientales del planeta es el proceso de fotosíntesis oxigénica iniciada por las cianobacterias hace 2.3 mil millones de años, una innovación que alteró profundamente el curso de la evolución al permitir la respiración aeróbica y la aparición de vida multicelular compleja. Hoy, el fitoplancton marino, pese a representar sólo el 1% de la biomasa fotosintética de toda la biósfera, contribuye con la mitad de la fijación de CO2 que ocurre en lo que se conoce como el Ciclo de Calvin. De este modo, cianobacterias, diatomeas y dinoflagelados presentes en el fitoplancton son actores clave en las redes alimentarias tanto de especies marinas como terrestres. A su vez, bacterias y arqueas conducen exclusivamente la fijación de nitrógeno, mientras que ambas, en compañía de hongos, también están a cargo de los procesos de nitrificación y de-nitrificación.
Buena parte de las dificultades asociadas a la predicción de los efectos que las actividades económicas, el cambio climático y/o la contaminación podrían tener sobre las comunidades microbianas surgen de la falta de conocimiento sobre el rol específico que cumplen los microorganismos a distintos niveles biológicos. Por ejemplo, ¿cómo la alteración o desaparición de especies biocontroladoras naturales afectaría el rendimiento y agresividad de fitopatógenos?; ¿o cuáles son las consecuencias para la microbioma de ambientes construidos (nuestras casas, lugares de trabajo, etc.) de implementarse reglas de protección de salud más estrictas? O también, cuáles serían los cambios que surjan a nivel de biomas y ecosistemas a causa de la (potencial) alteración o desaparición de microorganismos que ejecuten procesos claves como la metanotrofía o la captación de carbono o nitrógeno, entre otros.
Por mucho tiempo, nuestra falta de comprensión sobre la biodiversidad microbiana, tanto en ambientes terrestres como acuáticos, fue profundamente subestimada debido a la inhabilidad de la gran mayoría de los microorganismos para crecer en culturas líquidas o sólidas en el laboratorio. No obstante, en los últimos 20 años, la metagenómica ha ofrecido una herramienta poderosa para develar componentes previamente ocultos de los ecosistemas microbianos. Actualmente, la metagenómica de shotgun y las secuenciaciones de alto rendimiento, con el apoyo necesario de herramientas bioinformáticas, proveen información sobre qué microrganismos están presentes, cuáles son sus principales procesos metabólicos y cuáles son las interacciones que tienen lugar en el ecosistema. Usando aproximaciones bioinformáticas para analizar bases de datos metagenómicas de 18 biomas, se ha reportado, por ejemplo, que las reacciones microbianas redox, que dirigen la transmisión de energía, son el mejor predictor funcional para la organización de comunidades microbianas globales, incluso superior de los marcadores taxonómicos.
Éstas, junto a otras técnicas modernas, permiten determinar mucho más acertadamente las estructuras, dinámicas y funciones de las comunidades microbianas, incluyendo la pérdida de biodiversidad en diferentes hábitats a causa de las actividades humanas, el cambio climático y la contaminación ambiental. Estas mejoras son muy bienvenidas, dado que varios de estos estresores podrían tener graves consecuencias para la biósfera en su conjunto. Así, estudios comprehensivos dirigidos a determinar, en rangos de años, los cambios en las estructuras y dinámicas de las comunidades microbianas sometidas a perturbaciones como niveles elevados de dióxido de carbono, fertilización mineral, cambios de temperatura, o enmiendas basadas en carbono, han demostrado que, en la gran mayoría de casos, el componente microbiano se ve alterado con respecto a aquellas comunidades no perturbadas.
El gran desafío hoy, es determinar de qué maneras y en qué grado cambios en la composición microbiana afecta el funcionamiento de los ecosistemas. Esta no es, en ningún caso, una tarea simple, pues los microbios viven en comunidades muy diversas en las que interactúan entre ellos, con otros organismos, y el ambiente mismo, en formas complejas y no enteramente entendidas. Además, es necesario establecer líneas de base temporales y espaciales apropiadas, así como el desafío añadido de distinguir cambios transitorios de aquellos permanentes, ya que sólo éstos últimos tendrán un impacto de largo plazo en el funcionamiento de los ciclos biogeoquímicos y los procesos ya mencionados.
Muchas necesidades de investigación deben ser abordadas, de las cuales queremos destacar una evaluación completa de la diversidad funcional global de los microorganismos, la cual es clave para predecir los efectos de la pérdida de diversidad y la resiliencia y capacidad de recuperación potencial de las comunidades microbianas. Este último punto es crucial para proyectar los efectos reales, efectivos y permanentes de las actividades humanas, el cambio climático y la contaminación sobre la composición y estructura de estas comunidades. En este contexto, un escenario contra intuitivo es que dichas perturbaciones no necesariamente producen cambios significativos en la performance de las comunidades microbianas, dado que éstas han prosperado en nuestro planeta por cerca de 4 mil millones de años, siendo capaces de superar cambios en la Tierra incluso más dramáticos que aquellos generados por la era del Antropoceno.
Para leer la versión completa de este artículo, en inglés en el original, accede a este enlace.
Traducción: Comunicaciones CAPES