Sumergirse en agua hirviendo, cocinarse en el desierto, helarse hasta los huesos o bañarse en ácido es lo que podríamos considerar un infierno. Sin embargo, para miles de criaturas no hay nada mejor que eso. Ellas se encuentran en los más increíbles lugares: en las surgencias volcánicas del fondo del océano, en cavernas que han estado aisladas por millones de años, y en desiertos donde jamás ha llovido. Si estos organismos logran sobrevivir bajo estas condiciones tan hostiles, uno podría razonar que ellas podrían existir en cualquier otra parte del Universo.

Algunos de los más sorprendentes hallazgos se han encontrado en la frontera de la Tierra; "el fondo del mar", el lugar que conocemos menos que la cara oculta de la luna. Hasta el año 1880 se pensaba que el fondo del mar estaba muerto, y algunos incluso afirmaban que la vida no podría existir a profundidades mayores de 600 metros. Pero fue en el año 1884, cuando el biólogo francés, A. Certes encontró actividad microbiológica en muestras de agua extraídas a 5100 metros de profundidad, lo que inspiró a otros para explorar la vida en los abismos. Con todo persistió la idea de que las profundidades del océano debían estar muy escasamente pobladas, ya que se asumía que sin fotosíntesis, no podría existir una fuente de energía, ni nutrientes. Por lo tanto nada que fuera más complejo que los microbios, podría vivir allí.

Pero podían. En 1977, John Corliss y John Edmond, dos geólogos, descendieron en el submarino Alvin y observaron una espectacular gama de vida. Mientras a una profundidad de 2500 metros buscaban evidencias de fracturas intercontinentales, cerca de las Islas Galápagos encontraron emanaciones calientes, denominadas "surgencias hidrotérmicas", rodeadas por comunidades de almejas, cangrejos, gusanos de 2 metros de largo, anémonas marinas y grandes peces. Dos años después, otra expedición del submarino Alvin descubrió organismos amontonados alrededor de "fumarolas negras" que surgían en regiones volcánicas calientes del fondo marino, junto con aguas ricas en minerales.

Impresionados por estos nuevos descubrimientos, los científicos comenzaron a buscar vida en lugares que previamente se habían considerado como inhabitables, como eran los más profundos niveles del océano, las rocas bajo el suelo o las partes altas de la atmósfera. Una inspección más cercana de estos ambientes extremos ha permitido comprobar diversos tipos de microorganismos especializados, que se han llamado genéricamente "extremófilos".

Un stress obvio en ambientes extremos, es la temperatura, por lo que se han llevado a cabo numerosos experimentos con el objeto de encontrar las más bajas y más altas temperaturas que pueden soportar diferentes especies (figura 3). Pero más importante que el calor o frío, es la disponibilidad de agua líquida. Si estas criaturas pueden detener el congelamiento o el hervor del agua, logran vivir a temperaturas extremas.

Las "arqueas", posiblemente las criaturas más antiguas de la Tierra, han sido las más capaces para adaptarse a extremos, incluyendo temperaturas sobre 100ºC. Estos microbios representan una de las tres ramas mayores de la vida, junto con los "prokaryotes" (verdaderas bacterias) y "eukariotes" (todos los organismos con células nucleadas). Las arqueas son similares en tamaño a los prokaryiotes, pero su metabolismo es radicalmente diferente. Varias especies se manejan a temperaturas por sobre 100ºC, siempre que el agua se mantenga sin hervir, como por ejemplo si está presurizada, lo que eleva el punto de ebullición. El récord olímpico de alta temperatura lo tiene una arquea llamada "Pyrolobus fumarii", que se describió por primera vez en el año 1997. Ella se desarrolla a temperaturas sobre 113ºC, pero no hay ninguna razón para suponer que el récord no pueda aún superarse. Se sabe que algunas enzimas pueden trabajar más allá de 140ºC y muchos investigadores de extremófilos creen que los límites absolutos de temperaturas de sobrevivencia en la Tierra, pueden ser tan altos como 150ºC. Los límites para bacterias y eukariotes son mucho menores y oscilan entre 90 y 60ºC respectivamente.

Cerca del punto de congelamiento se observa una situación similar. Los organismos pueden sobrevivir a temperaturas bajo cero, siempre y cuando puedan encontrar un método para mantener el agua líquida. En las tres ramas de la vida hay especies que pueden sobrevivir a temperaturas bajo el punto de congelamiento. El récord lo tienen las moscas del Himalaya y ciertas bacterias. Ellas se mantienen activas a -18ºC. A bajas temperaturas, el daño más importante que sufren las células es debido a los cristales de hielo que se forman en su interior. En el laboratorio, muchos microorganismos, células eucarióticas conservadas y líquenes, pueden sobrevivir a un shock de congelamiento con nitrógeno líquido, ya que los cristales de hielo no tienen tiempo de formarse antes que las células se congelen sólidas. Muchas especies de peces producen moléculas anticongelamiento, como proteínas o "glicoproteínas" que son proteínas ensambladas con azúcar. Algunas especies de sapos pueden sobrevivir congelados, estimulando la formación de hielo en sus cuerpos, ya que la rápida formación de muchos pequeños núcleos de hielo, previene el crecimiento de cristales más destructivos. Mecanismos adaptativos similares, también ocurren en microbios que se manejan dentro de los hielos antárticos.

El requerimiento de agua líquida es lo que hace difícil sobrevivir en los desiertos. En el Desierto de Namib, la planta "Welwitschia mirabilis", es una de las especies que se las ha arreglado para desarrollar mecanismos de adaptación. Descubierta en el siglo XIX por el botánico Friedrich Welwitsch, tiene un brote en forma de nabo del que se desprenden sólo dos hojas. Miden más de un metro de largo, yacen en el suelo y parecen estar podridas.

La planta puede vivir con menos de 10 milímetros de agua de lluvia al año y algunas tienen más de mil años. Aun en sequías graves, cada año la planta florece, pero la mayor parte de sus esfuerzos se pierde, ya que las semillas sólo germinan durante los poco frecuentes años húmedos, cuando la superficie permanece húmeda por lo menos una semana. Este es el tiempo que ellas necesitan para germinar. Luego el suelo se vuelve a secar, su única raíz vertical crece extremadamente rápido, para detenerse cuando desaparece la humedad, quedándose estacionaria.


Economizando cada gota de agua

Welwitschia usa diversos trucos para hacer todo lo que puede con la muy escasa cantidad de agua y nutrientes de que dispone. Así por ejemplo, puede cerrar sus estomas (los poros en sus hojas) para canalizar agua hacia la punta sin perderla en su viaje por la transpiración. Puede también frenar su crecimiento en respuesta a la sequía extrema. También la planta tiene un eficiente sistema de reciclado para elementos esenciales, como el carbón, nitrógeno, potasio y magnesio. Recupera nutrientes del decaimiento de la punta de las hojas para alimentar partes de la planta que están creciendo.

Mientras la welwitschia es excepcional dentro de las plantas mayores, muchos tipos de líquenes son también espectacularmente exitosos para enfrentar las temperaturas extremas y las graves sequías. A pesar de que aparecen como plantas en numerosos libros de botánica, cada tipo de liquen es una "simbiosis" (una asociación mutuamente beneficiosa) entre un hongo y un microbio fotosintético. El último puede ser un alga o una cianobacteria que esencialmente provee el alimento (usando dióxido de carbono y nitrógeno del aire, más luz solar). Mientras tanto el hongo provee el marco para la compleja estructura del liquen, protegiendo al microbio de secarse.

Otros organismos sobreviven en tiempos difíciles en una etapa de animación suspendida. Muchas bacterias responden a condiciones amenazantes como la sequía, produciendo "esporas" resistentes. Como las notables esporas del ántrax usadas en los ataques bioterroristas el último año en USA, ellas se vuelven a poner en acción cuando las condiciones les son favorables, con adecuada temperatura y humedad, como sucede en el interior de los pulmones humanos.

Otro tipo de adaptación al stress, es la notable resistencia a la radiación de la bacteria "Deinococcus radiodurans" que se piensa que ha evolucionado como una consecuencia indirecta de resistir a la sequía. Esta especie puede sobrevivir radiaciones hasta mil veces la intensidad que mataría a un hombre, y puede volver a ensamblar su DNA fragmentado en cientos de trozos, sin un error. Del mismo modo, puede sobrevivir repetidos procesos de secados al vacío y rehidrataciones. La necesidad de resistir el daño del oxígeno en el estado de secado, más que la radioactividad, fue lo que probablemente condujo la evolución de este notable mecanismo de reparación del DNA.

Como marineros náufragos en el medio del océano, criaturas que viven en el agua pueden morir de sed como resultado de la alta concentración de sales. El agua puede ser escasa para los microorganismos en lagos salados o salinas. Sin embargo muchas especies de arqueas han aprendido a sobrevivir en salinas saturadas, como en el supuesto mar muerto, que en la realidad es un hábitat complejo y muy vivo.

A pesar que los organismos pueden adaptarse impidiendo que crucen su membrana muchos iones de sal, necesitan mantener altas concentraciones similares de sal u otras moléculas pequeñas dentro de sus células. Si no lo consiguen, toda la célula se secaría por "osmosis" (la tendencia de las moléculas de agua a moverse a través de una membrana semipermeable para balancear la concentración en ambos lados). Especies de arqueas que viven en salinas pueden mantener en su citoplasma una concentración extremadamente alta de sal, hasta alcanzar niveles ocho veces superior a la del agua de mar.

Dentro de las células, existe una competencia por el agua en la escala molecular. Moléculas biológicas, como las proteínas, necesitan una envoltura de moléculas de agua a su alrededor para impedir que se aglomeren y se deformen. En condiciones de elevada salinidad los iones de sal pueden autocompetir en la lucha por agua. Criaturas encontradas en el Mar Muerto y otros lagos salados, han logrado adaptar sus proteínas para que retengan moléculas de agua que necesitan. Así por ejemplo, sus moléculas tienen una cantidad no usual de aminoácidos cargados expuestos en sus superficies, lo que les permite unirse a moléculas de agua con la misma eficiencia que compiten por iones de sal.

Aparte de la sal, en el medio ambiente también varían en forma drástica la concentración de muchas otras sustancias químicas. Las variaciones más amenazantes son las de acidez/alcalinidad y la concentración de metales tóxicos. La mayor parte de los sistemas biológicos trabajan entre un pH 7 neutro (agua pura) y otro moderadamente alcalino de pH 8.2 del agua de mar. Con todo, muchos suelos volcánicos son altamente ácidos, mientras otros ambientes pueden ser altamente alcalinos. Pero la vida también encuentra formas de desarrollarse allí (fig. 2).

Además de los problemas de temperaturas muy altas o muy bajas, los pH extremos pueden también resistirse en la periferia de las células. Los organismos en condiciones acídicas o alcalinas, usan proteínas de membranas especialmente adaptadas para mantener los valores de pH normales en sus células. Lo que es más importante, necesitan bombas iónicas capaces de transferir iones hodroxilos e hidrógenos a través de su membrana plasmática contra las inusuales diferencias de pH entre el lado interno y externo.

Aparte de los iones hidrógeno e hidroxilos que gobiernan el pH, otras sustancias químicas también pueden hacer el ambiente muy limitante para la vida. Un sorprendente veneno ambiental al cual muchas especies se han adaptado, es el oxígeno. Al comienzo, la vida en la Tierra era estrictamente anaeróbica, es decir, no había oxígeno en la atmósfera. La vida no tenía necesidad de oxígeno libre. Pero la invención del proceso de la fotosíntesis, por los ancestros de las cianobacterias, enriqueció la atmósfera con este gas, forzando a las especies a adaptarse o permanecer en hábitats restringidos anaeróbicos.

El mayor problema que tuvieron que experimentar los primitivos organismos anaeróbicos fueron las reacciones que, comprometiendo al gas oxígeno, dejaban libres "radicales oxígenos" altamente reactivos, moléculas que dejan estragos en proteínas y DNA. Los extremófilos anaeróbicos son a menudo esos organismos que nunca se adaptaron a vivir con oxígeno y que existen en ambientes cercanos a los de la Tierra primitiva.

La intoxicación por metales pesados es otro desafío químico que encuentran muchos organismos. Algunos se han adaptado tan bien a iones o grupos específicos de metales, que pueden usarse en los procesos de extracción minera, conocidos como "biofiltración", o para limpiar tierras contaminadas. Hay un creciente número de procesos en los que estas magníficas criaturas, en las formas más inesperadas, pueden servir a la humanidad.


Vida sin luz. Energía extraída de químicos

Mientras algunas sustancias químicas son fastidiosas para la vida o aun representan una amenaza mortal, otras son indispensables. Toda forma de vida requiere de una fuente de energía y de elementos esenciales y compuestos necesarios para construir las células.

En las profundidades negras del fondo del océano, donde la fotosíntesis no es posible, la vida se acumula alrededor de las surgencias calientes y los humos negros, haciendo uso de un proceso llamado "quimosíntesis" que extrae energía de la oxidación de sulfitos contenidos en el agua caliente. Los microbios quimiosintéticos pueden vivir en forma libre o en forma simbiótica con animales, incluyendo los gusanos tubulares o las almejas (ver recuadro: Cómo alimentar animales sin bocas). Ellos proveen de energía y de compuestos biológicos para todo el sistema. El descubrimiento de la vida quimiosintética, echó por tierra la creencia de que la vida sólo era posible por la energía producida por la fotosíntesis, aprovechando la luz solar.

En el año 1986, se descubrieron debajo del suelo, otros ejemplos de vida sin fotosíntesis. En las cuevas Móvil, cerca del Mar Negro en Rumania, se descubrieron alrededor de 50 especies que habían estado aisladas por unos pocos millones de años en una aparente ausencia de fuentes de alimentos. Allí bacterias enmarañadas digerían piedra caliza de las paredes de la cueva y con ello se proveían de carbono, mientras la energía la obtenían de la oxidación de sulfitos disueltos en el agua subterránea.

Otros "comedores de rocas" se encontraron en excavaciones geológicas realizadas en el Estado de Washington. Viviendo a 1500 metros de profundidad, dentro de rocas basálticas sólidas, había bacterias que generaban energía por la reacción de hidrógeno con dióxido de carbono, produciendo metano y agua. Los investigadores que las descubrieron sugirieron que ellas habían adquirido el combustible hidrogenado de reacciones previamente desconocidas, entre roca y agua, en las cuales el hierro II de la roca reducía el agua a hidrógeno.

Al haber encontrado vida a más de 10 kilómetros del fondo del mar, se introduce una nueva e importante variable: la presión. Si uno se sumerge bajo el agua, la presión de la columna de agua que hay encima aumenta aproximadamente en un bar (una atmósfera) por cada 10 metros. Consecuentemente, la presión en el fondo de la Mariana Trench, en el Pacífico Occidental, es de alrededor de 1100 bares. Al elevarse sobre el nivel del mar, la presión disminuye, de modo que en la punta del Monte Everest, a 8.848 metros de altura, la presión es de un tercio de la que se encuentra a nivel del mar.

Podemos suponer que el incremento de miles de veces de la presión atmosférica que se produce en el fondo del mar, requiere en el organismo de sustanciales adaptaciones bioquímicas. Para la mayor parte de las bacterias, esa presión sería letal. El ser humano ya tiene problemas cuando la presión es de cuatro a cinco bares. Para los investigadores aún es incomprensible como estas criaturas se las arreglan con esa tremenda presión. Uno de los mayores puzzles es la capacidad de muchos organismos del fondo del mar que sobrevive a una presión de un bar, también como sobreviven a la presión del fondo del mar.

Los humanos también tienen problemas en las alturas, ya que la baja presión limita el suministro de oxígeno en la sangre. Si se quiere trepar a las alturas sin el suministro de oxígeno, es necesario un proceso previo de aclimatación que dura semanas. Se sabe que los pájaros migran sobre las altas montañas y que en un día pueden alcanzar alturas de hasta 9 mil metros. Una de las adaptaciones que les permite a ellos hacer esto, es que su hemoglobina tiene una mayor afinidad con el oxígeno. Para las formas de vida microbiana, una disminución de tres veces de la presión atmosférica debería ser menos problemática que otros factores de stress que se encuentran en las altitudes, como son las bajas temperaturas y las intensas radiaciones ultravioleta. Recientemente un grupo de científicos, afirmaba haber detectado signos de vida en los límites de la atmósfera. El anuncio ha sido tomado con cierto escepticismo, pero si se confirma a esa altura la existencia de bacterias, la próxima pregunta es: ¿Ellas vienen de la Tierra o del espacio?.

En realidad el descubrimiento de vida en lugares inesperados en la Tierra, ha revitalizado la búsqueda de vida extraterrestre, un campo que ahora se llama "astrobiología". Antecedentes anteriores acerca de los límites de la vida, habían eliminado a Venus, por ser demasiado caliente y químicamente agresivo, y a Marte por ser demasiado frío y seco. Pero ahora los nuevos extremófilos que se han encontrado en la Tierra, permiten sugerir que la vida puede existir en otros planetas o lunas del sistema solar. Así por ejemplo, en Marte, evidencias crecientes señalan que en su vida primitiva el planeta rojo podría haber sido habitable. Recientemente la nave Mars Odissey, al orbitar descubrió un vasto campo de hielo bajo su superficie del polo sur. A ello se agrega la muy publicitada noticia de científicos de la NASA, de haber encontrado trazas fosilizadas de bacterias muy pequeñas ("nanobacterias") en el meteorito de Marte ALH 84001. Aun cuando su interpretación es controversial, ha inspirado mayores especulaciones acerca de la vida extraterrestre. ¿Podrían las bacterias originadas en Marte haberse mantenido bajo el suelo de la forma que se descubrieron recientemente en la Tierra hace unos pocos años?.

Las condiciones en Europa, la luna de Júpiter, podrían también conducir a la vida. Imágenes obtenidas y mediciones magnéticas sugieren la existencia de un océano líquido de agua salada escondido bajo la superficie de una capa de hielo de Europa. Bacterias quimosintéticas podrían arreglárselas allí, como lo han hecho en el fondo de los océanos de la Tierra y posiblemente también en los lagos aún no explorados que se han descubierto bajo los hielos de la Antártida.

Astrobiólogos han estado investigando también la posibilidad que meteoritos, cometas y polvo cósmico hayan transportado biomoléculas o aun células vivas a través del espacio. De acuerdo a la teoría llamada "panspermia", la vida podría haberse generado en algún lugar y desde allí haberse esparcido a otros planetas, incluso al nuestro. Cuando se propuso esta idea en la década de 1950, muy pocos biólogos pensaban que la vida podría sobrevivir a los rigores del espacio. Pero en la medida que se han ido descubriendo criaturas en los lugares más inhóspitos aquí en la Tierra, parece que cualquier cosa podría ser posible, aun la colonización desde el espacio.