¿Fotosíntesis infrarroja?

Fotosíntesis infrarrojaUn modelo matemático predice que es posible la fotosíntesis bacteriana basada en el infrarrojo.

Un artículo publicado por tres científicos cubanos explora la posible vida fotosintética infrarroja incluso en ausencia total de luz solar.

Si se corroboran estos resultados se abrirá una nueva vía para explorar la terraformación de Marte, es decir, convertir el inhóspito planeta rojo en un planeta parecido al nuestro.

Hace ya unos años, que cuando J. Thomas Beatty (University of British Columbia) descubrió bacterias del azufre en el entorno de las fuentes hidrotermales observó que éstas bacterias, pese a vivir en las profundidades del Océano Pacífico donde nunca llega el Sol, poseían la maquinaria de la fotosíntesis.

Estas bacterias son fotosintéticas, y obtienen el hidrógeno del sulfuro de hidrógeno, en lugar del agua, como hacen las cianobacterias.

Como subproducto generan azufre elemental en lugar de oxígeno.

A estas bacterias se las conoce por las bacterias púrpuras del azufre y son los organismos fotosintéticos más antiguos de la Tierra.

La única manera que tenemos de especular sobre cómo puede ser la vida en otros planetas es extrapolar lo que sabemos sobre la vida en este punto azul pálido.

Es fácil imaginar como puede ser la vida en un planeta similar a la Tierra que orbita una estrella similar al Sol, sólo necesitamos “deformar” la que ya conocemos.

Pero puede que haya otros planetas y lugares que sean muy distintos y, a pesar de todo, tengan vida. En esos casos nos podemos fijar en la vida extremófila de nuestro mundo.

La verdad es que esa disciplina denomina Exobiología consiste básicamente en Extremofilia, aunque lo pretendan vender de otro modo.

Si viven donde no llega la luz del Sol ¿Cómo hacen la fotosíntesis? Parece ser que las fuentes hidrotermales, de origen volcánico, producen luz. Rolando Cardenas y sus colaboradores han realizado ahora un modelo matemático que permite saber el éxito de este tipo de bacterias.

Estas bacterias no todavía no se pueden cultivar en laboratorio, por lo que para conocer cómo estas bacterias lidian con la escasez de luz sólo se puede hacer con estos modelos partiendo del conocimiento previo de los genes de estas bacterias.

De la secuenciación del genoma de estas bacterias sabemos que tienen un aparato molecular para captar luz mayor que las bacterias que viven en la superficie, por lo tanto, si no hay luz solar y la única disponible es la infrarroja que emite la lava incandescente de las fuentes termales... ¿blanco y en botella?.

Es ahí donde el modelo matemático de estos científicos cubanos concluye que estas bacterias utilizan los rayos infrarrojos de 1100 nm para realizar la fotosíntesis.

Una conclusión sorprendente y un paso más en el conocimiento de la vida en ambientes extremos, lo que nos abre y excita la imaginación cara a la colonización marciana.

Un sitio donde se suele proponer la existencia de vida es en Europa, el satélite natural de Júpiter y para ello nos fijamos en las fuentes hidrotermales del fondo de nuestros océanos.

Es posible que si en algún planeta o satélite, se encuentran tales fuentes (se supone que posee un inmenso océano baja la gruesa capa de hielo de su superficie) entonces quizás contenga vida.

Otra cosa de la que nos hemos dado cuenta, gracias a los descubrimientos del observatorio espacial Kepler, es que muchos exoplanetas giran alrededor de estrellas enanas rojas. La luz que reciban esos planetas es muy diferente a la que recibimos nosotros, pues el pico de emisión de esas estrellas está centrado en el infrarrojo.

Como toda vida tiene que estar basada en una fuente de energía y si asumimos que es la fotosíntesis entonces las plantas de un planeta que orbite una enana roia tienen que haber evolucionado para captar esa luz. Por eso se han imaginado plantas negras, pero ¿habría fotosíntesis infrarroja?

Nuestra visión, o la fotosíntesis de la plantas terrestres, está basada en esa parte del espectro electromagnético que denominamos espectro visible (entre los 400 y 700 nm de longitud de onda).

Esa pequeña región corresponde al pico de emisión del Sol. Hemos evolucionado para ver la luz que más emite el Sol.

Pero en otros lugares el pico de emisión de la estrella es distinto y, por tanto, la vida hipotética en esos planetas será distinta.

Quizás tengan visión infrarroja y fotosíntesis infrarroja o quizás todo sea más enfocado hacia la parte ultravioleta, todo dependerá de la temperatura de la estrella en cuestión.

Esa vida se basaría en la emisión infrarroja de las fuentes hidrotermales que podría haber, como habíamos dicho, en Europa.

Todo empezó hace unos ocho años cuando J. Thomas Beatty (University of British Columbia) descubrió bacterias del azufre en el entorno de las fuentes hidrotermales.

Estas bacterias son fotosintéticas, pero obtienen el hidrógeno del sulfuro de hidrógeno, en lugar del agua. Como subproducto generan azufre elemental en lugar de oxígeno.

Eran las bacterias púrpuras del azufre ya conocidas por la ciencia y que se propusieron como los organismos fotosintéticos más antiguos de la Tierra.

Lo increíble de este caso era que vivían a 2400 m de profundidad en el océano Pacífico y allí la luz del Sol no llega, simplemente es absorbida por esa descomunal columna de agua.

Las bacterias vivírían de la luz generada por las propias fuentes hidrotermales cuando una erupción de agua muy caliente escapaba del subsuelo o de los pocos fotones que llegan desde la superficie.

Normalmente la vida en estos lugares está basada en la quimiosíntesis del hierro, azufre o amoniaco. La base de la cadena trófica está constituida por bacteriana, pero sobre ellas vive toda una compleja comunidad de gusanos, moluscos y crustáceos.

La energía es en última instancia tectónica, pues estas fuentes suelen estar en lugares en donde se separan las placas tectónicas y el magma recalienta y recicla agua y otros compuestos y elementos.

Pero la presencia de estas bacterias púrpuras del azufre añade más riqueza a estos ecosistemas.

Se pudo determinar que el sistema fotosintético en este caso estaba basado en una antena molecular más grande de lo habitual (un primer paso de la fotosíntesis se da en la estructura molecular que capta los fotones y que se llama antena).

Esto le permite ser más eficiente en condiciones de iluminación muy bajas.

Rolando Cardenas y sus colaboradores han realizado ahora un modelo matemático que permite saber el éxito de este tipo de bacterias.

Sugieren que la fotosíntesis que conocemos prácticamente no podría sobrevivir, dadas las cantidades de luz disponible, pero sí que florecerían si se basara en luz infrarroja, incluso en total ausencia de luz solar.

Aunque no con mucho éxito, pues, como se puede observar en el medio, no son bacterias muy abundantes allí. La luz desprendida por las fuentes hidrotermales es muy escasa.

Lo malo es que no se ha podido cultivar esta bacteria o aislarse desde que fue descubierta. El resultado está basado en un modelo matemático.

Según el modelo podría haber allí bacterias realizando la fotosíntesis con luz infrarroja de 1300 nm de longitud de onda. Incluso pueden concebir bacterias púrpuras del azufre realizando la fotosíntesis con luz de 1100 nm en en numerosos lugares del universo.

La vida terrestre siempre es más compleja de lo que imaginamos.

Riftia pachyptila, el gusano hidrotermal

Riftia pachyptila, el gusano hidrotermal

Riftia pachyptila es uno de los invertebrados marinos simbiontes de los ecosistemas de fuentes hidrotermales que más adaptaciones a la simbiosis presenta.

Es un anélido tubícola de la clase Polychaeta que carece de aparato digestivo y en su lugar presenta un órgano llamado trofosoma, una cavidad celómica en la que alberga a bacterias quimiosintéticas sulfooxidantes.

A pesar de ser un metazoo, Riftia pachyptila necesita captar CO2 del medio. Esto se debe a que las bacterias simbiontes fijan más CO2 del producido por la respiración del poliqueto, dando lugar a una demanda neta de dióxido de carbono. 

Además de CO2, las bacterias sulfooxidantes emplean el sulfuro de hidrógeno como donador de electrones, siendo necesario que Riftia pachyptila se lo suministre.

Las comunidades de Riftia pachyptila son la base de la vida que se da alrededor de las chimeneas hidrotermales.


Para proveer de los nutrientes necesarios a las bacterias quimiosintéticas, Riftia toma dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, oxígeno y nitrógeno del medio mediante una estructura denominada pluma. De aquí los nutrientes pasan al sistema vascular que los transporta hacia el trofosoma, donde las bacterias fijan CO2 y reducen el azufre.

Mientras que la toma de CO2 del medio presenta problemas debido a la solubilidad (solventado por el hecho de que Riftia excreta equivalentes protonónicos por la pluma, que acidifica el medio facilitando la toma de CO2), la incorporación de sulfuro de hidrógeno presenta un peligro potencial para organismos aerobios ya que es un inhibidor del complejo citocromo c oxidasa, que es necesario para la respiración.

Sin embargo, no solo Riftia no muere ni sufre daño, sino que el hecho de poder transportarlo hasta el trofosoma sin envenenarse le permite vivir de las fumarolas, o lo que es lo mismo, no depender del sol.

Al igual que el cianuro, el sulfuro de hidrógeno es un potente inhibidor del complejo citocromo c oxidasa incluso a concentraciones nanomolares, dando lugar a un déficit energético.

Además inhibe otras enzimas como deshidrogenasas y tiene capacidad de unirse a la hemoglobina impidiendo que ésta pueda transportar oxígeno.

La capacidad de Riftia de poder transportar el sulfuro al igual que transporta oxígeno o dióxido de carbono reside en una isoforma de hemoglobina.

Esta hemoglobina es extracelular y a parte de los puentes disulfuro que le confieren estabilidad, en su estructura se encuentran algunos puentes disulfuro que no son necesarios para mantener su estructura, y que le permiten unirse al sulfuro.

Debido a esta unión, la hemoglobina extracelular de Riftia es capaz de transportar sulfuro sin verse afectada su capacidad de transportar oxígeno o dióxido de carbono, y puede separar físicamente el sulfuro de las mitocondrias evitando así su acción tóxica.

Lo que en principio parece una adaptación a poder tolerar un ambiente rico en un tóxico posibilita a Riftia poder establecer una simbiosis con un microorganismo quimioautótrofo permitiendo no solo su supervivencia, sino la existencia de todo un ecosistema marino en el que el productor primario es un organismo no fotosintético.


Fotosíntesis artificial con herrumbre | VCN



Planetas púrpuras | VCN



Un verdadero "campo de medusas" | VCN

Bibliografía
- Belkin, S., Nelson, D. and Jannasch, H. Symbiotic assimilation of CO2 in two hydrothermal vent animals, the mussel Bathymodiolus thermophilus and the tube worm Riftia pachyptila. Biol. Bull. 170: 110-121(February, 1986). (Simbiosis).

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