Si alguna vez has visitado un desierto, quizá hayas notado pequeños montículos de tierra costrosa entre las extensiones de arena. Dentro de esos montículos, algo asombroso está sucediendo. Las células vivas utilizan procesos de alta tecnología no solo para sobrevivir en un entorno hostil, sino que también ayudan a estabilizar toda la biosfera.

Llamados suelos criptobióticos, o simplemente costras desérticas, estos montículos de tierra están habitados por cianobacterias fotosintéticas. Cualquier cosa que pueda convertir la luz solar en energía utilizable parece diseñada, sin duda, como seguramente saben los ingenieros solares. Pero estas bacterias tienen un problema: reciben demasiada luz solar. Su entorno se seca rápidamente debido al calor solar excesivo después del amanecer. El exceso de calor puede provocar la formación de especies reactivas de oxígeno, lo que amenaza a la célula. ¿Cómo pueden las cianobacterias disipar el exceso de energía para evitar quemaduras?

Una nueva investigación realizada por europeos e israelíes está ayudando a esclarecer la estrategia que utilizan estos organismos «primitivos». En las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS), un equipo de 15 científicos describe cómo descubrieron los «Cambios en los estados de agregación de los complejos captadores de luz como mecanismo para modular la transferencia de energía en las cianobacterias de la corteza desértica». A continuación, un resumen de la importancia de sus hallazgos:

Todos los organismos fotosintéticos regulan la eficiencia de la transferencia de energía de excitación (EET) para ajustar el suministro energético a las demandas bioquímicas. Para las cianobacterias de la corteza desértica, tolerantes a la desecación, esta capacidad es fundamental. Estos organismos pasan la mayor parte del día en estado desecado, donde la energía absorbida se disipa por completo. Con base en nuestras observaciones, proponemos un modelo donde, en estado hidratado, la estructura organizada en bastones del ficobilisoma, que capta la luz, facilita la transferencia de EET direccional a los centros de reacción con mínimas pérdidas por disipación térmica. En estado desecado, esta estructura da lugar a agregados más aleatorios. La ruta de EET resultante presenta un mayor acoplamiento con el entorno y una mayor disipación de la energía. Este mecanismo de disipación de energía depende completamente de los cambios en el estado de agregación de los componentes del ficobilisoma. [Énfasis añadido].

Primero, ¿qué son los ficobilisomas? Son las antenas captadoras de luz de las cianobacterias y otros microbios fotosintéticos. «Los ficobilisomas [PBS para abreviar] son complejos proteicos (de hasta 600 polipéptidos) anclados a las membranas tilacoides», dice Wikipedia. «Los ficobilisomas se componen en gran parte de ficobiliproteínas (PBP), una familia homóloga de cromoproteínas solubles en agua».

Ya vislumbramos la complejidad que se esconde dentro de esos terrones. ¡600 proteínas cooperando en la función de captar luz! Piénsenlo. Cada componente polipeptídico debe estar codificado en el ADN, pero eso no es todo. Como señaló Jonathan Wells en ID the Future, cada proteína «tiene que ir a un lugar específico de la célula para realizar su función», pero «esa información espacial no está en el ADN». Se requiere información codificada adicional para ensamblar las piezas del ficobilisoma y que puedan funcionar como antenas para captar luz.

La ilustración simplificada de Wikipedia da una pista de cómo se organizan las proteínas. Concentran su capacidad de captar luz en el centro de reacción. Si siguen leyendo, se sentirán abrumados por la complejidad de estas proteínas, pero esta frase es todo lo que necesitan saber: «La disposición geométrica de un ficobilisoma es muy elegante y resulta en una eficiencia del 95 % en la transferencia de energía».

Sin embargo, en las cortezas desérticas, las cianobacterias necesitan disipar el exceso de luz y calor. El equipo de científicos descubrió cómo lo hacen: esas estructuras organizadas se vuelven más aleatorias durante el calor del día.

El mecanismo subyacente propuesto se basa en las interacciones de acoplamiento de longitud intermedia (1-2 nm) entre las unidades de PC a través de los pigmentos β155 externos. Una red aleatoria de acoplamiento intermedio a través de los agregados de PC generará trayectorias de EET largas y complejas, así como una estructura de banda prohibida con numerosos estados localizados que se acoplan adecuadamente a la amplia frecuencia del ruido térmico ambiental.

La Figura 5 del artículo muestra cómo funcionan las pilas organizadas de componentes proteicos en estado hidratado, dirigiendo eficientemente la transferencia de energía hacia la membrana tilacoide, donde la fotosíntesis convierte la energía lumínica captada en energía química para la célula. Sin embargo, en estado desecado, las proteínas cambian su posición relativa, como si hubieran sido deformadas y desplazadas por un terremoto. Esta disposición más aleatoria alarga drásticamente la trayectoria de transferencia de energía, permitiendo su disipación en el entorno. Descubrieron que el proceso es reversible:

En condiciones de laboratorio, L. ohadii es capaz de mantener su viabilidad durante períodos prolongados y recuperar su actividad fotosintética inmediatamente después de la rehidratación. Esto ya se ha demostrado en el pasado para la actividad de transferencia de electrones (7). La figura 1 muestra esta notable capacidad para la función de PBS. Un cultivo desecado, en el que la fluorescencia de PBS se extinguió fuertemente, recuperó su alto rendimiento de fluorescencia tan solo 2 minutos después de la rehidratación. El proceso de hidratación/desecación fue completamente reversible. Después de aproximadamente 2 h, a temperatura ambiente, el cultivo se desecó y se extinguió la fluorescencia. La rehidratación resultó en una recuperación inmediata (figura 1).

Aquí hay un ejemplo de una estrategia que emplea la aleatoriedad reversible para su funcionamiento. ¡Un terremoto reversible! Y funciona bien: «El grado de extinción en estos organismos supera con creces el de los organismos modelo de laboratorio comunes», afirman los autores.

Por fascinante que parezca, hay más. Estas costras desérticas desempeñan un papel que beneficia a todo el planeta. Como vimos con el polvo en las nubes, los ecosistemas ocultos en los suelos desérticos son esenciales para la biosfera.

Los desiertos cubren casi la mitad de la superficie terrestre, y aunque las condiciones desérticas puedan parecer desfavorables, albergan diversos ecosistemas. Muchos de estos ecosistemas se basan en costras biológicas del desierto, que desempeñan un papel esencial en la estabilización de las arenas movedizas y su enriquecimiento con nutrientes. Las cianobacterias se encuentran entre los primeros microorganismos que habitan estas costras, donde una de las principales fuentes de agua suele ser el rocío depositado antes del amanecer.

Podemos obtener otra pista del valor de este papel de la planetología comparativa. Consideremos Titán, que tiene una atmósfera densa; Marte, con una atmósfera tenue, y nuestra luna, que prácticamente no tiene atmósfera. Los tres, al estar sin vida, presentan un grave problema de electricidad estática, a pesar de la presencia de algo de H₂O. Georgia Tech describe las «arenas eléctricas» de Titán como «cacahuetes de embalaje pegajosos». La NASA describe a Marte y la luna como «planetas crepitantes» con una «cantidad inusual de electricidad estática» que probablemente impedirá la colonización humana. Los astronautas del Apolo se quejaron del polvo que se adhiere a todo.

Esto sugiere que los microbios terrestres desempeñan un papel en la neutralización de la estática que, de otro modo, predominaría en el polvo y la arena de una Tierra sin vida. Tener agua en un planeta puede no ser suficiente, como todos sabemos por los días secos en que nuestros dedos chispean al tocar el pomo de una puerta. Al estabilizar la arena, las costras desérticas pueden reducir la acumulación de estática que, de otro modo, se produciría debido a la fricción. Este podría ser un buen proyecto de investigación sobre diseño inteligente. Una pregunta relacionada sería: ¿hasta qué punto el exceso de estática impide la habitabilidad?

Lo que está claro es que las diminutas comunidades ocultas en el suelo están impregnadas de enormes cantidades de información codificada. Tanto en las nubes como en los desiertos, estos complejos ecosistemas ayudan a sentar las bases de nutrientes de los que depende toda la vida. Es suficiente para hacerte andar con cuidado al caminar por el desierto.

Fotografía: Costra criptobiótica del suelo, por Nihonjoe (Trabajo propio) [CC BY-SA 3.0 o GFDL], vía Wikimedia Commons.

Artículo publicado originalmente en inglés por Evolution News and Science Today