“Un reporte de la academia americana de microbiología”

DIVERSIDAD MICROBIANA MARINA: LA CLAVE PARA LA HABITABILIDAD DE LA TIERRA

Resumen Ejecutivo

La academia americana de microbiología convoco a un coloquio el día 8 de abril de 2005 en San Francisco, para centrarse en la diversidad microbiana marina, fisiología microbiana, genética ecológica, oceanografía, biología de invertebrados, y virólogos expertos discutieron acerca de la importancia de los microorganismos marinos para la vida en este planeta, la biogeografía de estos organismos, sus roles en las relaciones simbióticas y patogénesis, sus capacidades metabólicas, sus impactos en los humanos y metas para la investigación, formación y educación en microbiología marina.

Los Microbios marinos son especialmente importantes para la vida tal como la conocemos. Puesto que la vida comenzó muy probablemente en los océanos, los microorganismos marinos son los descendientes vivos más cercanos de las formas originales de vida. . También son importantes pilares de la biosfera. Sus metabolismos únicos les permiten llevar a cabo muchas etapas de los ciclos biogeoquímicos que otros organismos son incapaces de completar. El buen funcionamiento de estos ciclos es necesario para que la vida en la tierra continúe. Los primeros microorganismos marinos también ayudaron a crear las condiciones subsecuentes en las cuales la vida se desarrolló posteriormente. Hace más de 2 mil millones de años, la generación de oxígeno mediante fotosíntesis marina por parte de microorganismos ayudaron a dar forma al ambiente químico en que las plantas, los animales y todas las demás formas de vida han evolucionado. Una gran parte de la investigación sobre la biogeografía marina microorganismos ha sido llevado a cabo, pero persisten muchas incógnitas, y hay que seguir trabajando para dilucidar y comprender su complejidad. Ahora se sabe que los microorganismos viven en todos los rincones de los océanos. Sus hábitats son diversos e incluyen aguas abiertas, sedimentos, masas de macro marina y microorganismos, estuarios y las fuentes hidrotermales. Estudiando estos hábitats, los científicos han desarrollado una capacidad limitada para predecir la composición de las comunidades microbianas marinas. También se ha encontrado que algunos microbios marinos tienen más distribuciones cosmopolitas que otros. Trabajos recientes han encontrado que la mayoría de los principios ecológicos que se aplican a los organismos más grandes también se puede aplicar a los microorganismos, incluyendo microbios marinos, pero hay excepciones. Se cree que casi todos los parámetros ecofisiológicos en los océanos tienen un impacto en la diversidad de las comunidades microbianas. La mayoría de las interacciones directas que los microorganismos marinos tienen con organismos más grandes caen en una de dos categorías: simbiosis o patogénesis. Las simbiosis microbianas beneficiosas permiten a muchas especies de invertebrados tomar ventaja de los hábitats que de otro modo no esté disponible para ellos. Los invertebrados en estas relaciones también pueden disfrutar de los beneficios de compuestos bioactivos que los microbios pueden producir para evitar la contaminación biológica o para protegerse de los depredadores. Virus marinos se encuentran en sorprendentemente altos números en el agua de mar, pero es probable que estas poblaciones están en equilibrio con sus poblaciones huésped. La diversidad metabólica de los microorganismos marinos permite que asumen muchos roles en los ciclos biogeoquímicos que otros organismos no pueden completar. Los microbios marinos son también capaces de adaptarse a los muchos ambientes extremos en los océanos. Como los seres humanos continúan

alterando el medio ambiente, el cambio climático inevitablemente impactará comunidades microbianas marinas y los ciclos biogeoquímicos en la que participan, pero la naturaleza exacta de estos impactos no puede todavía ser predicha. La salud humana depende de un número de equilibrios crítico que los microorganismos marinos controlan, incluido el saldo entre los virus y sus anfitriones en los océanos, los saldos que mantienen las floraciones de algas nocivas en jaque, los procesos que controlan las concentraciones de nutrientes en las aguas marinas, y otros. Las capacidades metabólicas de los microbios marinos se pueden poner a trabajar en cualquier número de aplicaciones de la biotecnología, incluyendo la fabricación de productos industriales y de producción de energía. Los microbios marinos son fuentes de nuevos compuestos bioactivos que pueden tener aplicación como productos farmacéuticos. Las aplicaciones potenciales para los microorganismos marinos en mejorar la degradación del medio ambiente también existen. Enfoques innovadores en la investigación, la educación y la formación son fundamentales para mover el campo de la microbiología marina hacia adelante. La investigación moderna en este campo debe abrazar las nuevas herramientas de la genómica y metagenómica, pero no a la exclusión de otros métodos de descubrimiento. La educación y la formación en microbiología marina deben ser multidisciplinarias. Los arreglos que exponen los estudiantes graduados de postgrado y científicos con postdoctorado a los laboratorios que hacen el trabajo fuera de los campos inmediatos de atención de los estudiantes deben ser alentados.

Los residentes microbianos del mundo han ayudado a la formación de la biosfera como el bullicioso y próspero lugar que es hoy, también dado que la vida en este planeta muy probablemente se originó en el agua, los microorganismos marinos pueden haber sido las primeras formas de vida en la tierra por lo tanto, son los progenitores de todos los seres vivos, distinción que pone a los microorganismos marinos en una posición clave en la saga de la evolución.

Durante millones de años después de la aparición de las primeras formas de vida, la vida microbiana en los océanos influencio la química del planeta, alterando el equilibrio químico de los océanos y la atmósfera y la introducción de gradientes de agentes oxidantes (electrones de barrido) y agentes (fuentes electrónicas) reductores. Los primeros microbios introdujeron oxígeno molecular para la atmósfera, un logro que sentó las bases para la evolución de las plantas, animales y seres humanos. Estos cambios inducidos por microbios introdujeron una nueva era de la química en la tierra y uno basado principalmente en la química redox , el transporte de electrones de una molécula a otro. La química redox es ahora la base de la biogeoquímica equilibrada y los ciclos climatológicos que sostienen la vida en este planeta. Los Microbios marinos también llevan a cabo muchos de los pasos de estos ciclos biogeoquímicos, haciendo de ellos los caballos de batalla de la biosfera. Los propietarios de una diversa cartera de posibles actividades, Los microbios marinos aportan la mayoría de las capacidades metabólicas del planeta que mantienen los ciclos elementales en movimiento. Las tasas metabólicas de las comunidades microbianas marinas también son altas. Aunque los organismos terrestres comprenden la gran mayoría de la biomasa en el planeta (3.200 gigatoneladas o más, es decir, 1015 gramos), plancton marino (que pesan alrededor de 0,4 gigatoneladas) realizan el 45% de la respiración total de oxígeno en la tierra. El océano está lleno de microorganismos que habitan allí de forma permanente y otros microbios que se han llevado allí de los ambientes terrestres. En la investigación sobre microbios marinos, a menudo es necesario llegar a una definición de lo que es

exactamente un microorganismo marino es. Cualquiera de una serie de definiciones puede ser utilizado. Una definición simple dice que los microbios marinos son sólo eso-los microorganismos que se encuentran en sistemas marinos. Sin embargo, esta descripción no excluye organismos que llegan al mar proveniente de la tierra y no son adecuados para el crecimiento en el medio marino. Una definición operativa de los microbios marinos los describe como especies que pueden crecer y reproducirse en el hábitat marino. La posibilidad de crecimiento se puede determinar utilizando experimentos de alimentación con isotopos, en el que los organismos en cuestión son monitoreados para el crecimiento en una dieta de nutrientes como losque se encuentra en el hábitat marino. El problema con esta definición es que lo contrario puede no ser cierto; la falta de crecimiento no indica necesariamente que un microorganismo no es un colaborador al ecosistema. Un microbio latente que se encuentra en el agua de mar puede estar aguardando su tiempo hasta que las condiciones son las adecuadas para su crecimiento. La definición fisiológica identifica a los microbios marinos como poseedores de adaptaciones específicas para el medio marino. En esta descripción, los microorganismos marinos tienen precisas adaptaciones fisiológicas o incluso requisitos de sodio. En algunos casos, la distinción entre los verdaderos habitantes de los océanos y los organismos que arrastran desde la tierra no es importante. A veces, los organismos exóticos (o incluso organismos que mueren una vez expuestos al medio marino) puede desempeñar un papel en la ecología de los océanos. Independientemente de la definición preferida, los microbios marinos mantienen una posición de singular importancia en la biosfera. Ellos eran la forma original de la vida en la tierra y hoy los microorganismos marinos son un soporte principal de los ciclos biogeoquímicos que siguen haciendo posible la vida. Una gran cantidad de investigación se ha llevado a cabo para dilucidar la biogeografía y metabolismo de estos organismos, pero persisten muchas incógnitas. En la parte más en esta lista de preguntas es qué efectos tendrán los cambios inducidos por los humanos en los servicios que los marinos realizan para el planeta. La investigación sobre microbiología marina debe continuar o acelerar el fin de resolver estos problemas.

CLARAMENTE, los microrganismos marinos son críticos para la habitabilidad de la tierra, tanto en el pasado como en el presente. Por desgracia, sólo estamos comenzando a entender muchos de los detalles acerca de lo que sus hábitats son como sus comunidades están estructuradas y sus cambios atreves del tiempo, y cómo se distribuyen.

HÁBITATS MARINOS MICROBIANOS

Los microbios marinos siguen teniendo una profunda influencia sobre la biosfera, pero donde, precisamente, son los microbios marinos encontrados? ¿Cuáles son sus diferentes hábitats? Cómo asépticamente muestreas los hábitats? Estas preguntas pueden ser contestadas en un número de maneras, basado en el nivel de resolución que sea de interés (ver Tabla 1). El medio marino se produce en muchas escalas, y hay muchos niveles de nicho por los cuales acercarse a una descripción de los hábitats. Por ejemplo, un microbio flotando en el medio del Océano Pacífico podría ser calificado de "organismo libre", pero esto no es más o menos exacta que la descripción “pelágicos" (que significa "aguas abiertas", no sedimentos) o "dentro del giro del Pacífico Central. “Quizás el factor más importante en la definición hábitats microbianos marinos es la distancia a la que estos organismos interactúan con sus entornos. Los atributos del hábitat aparentemente a simple vista son por lo general menos importante para un microbio marino que los hechos microscópicos y submicroscópicos, incluyendo concentraciones de nutrientes, la presencia de

geles y partículas, las concentraciones de metales, los niveles de luz, pH, la exposición ultravioleta y flujo solar, temperatura, saturación de oxígeno y redox. Por lo tanto, la escala en que los hábitats microbianos marinos son más relevantes es muy pequeña, pero la definición de los límites de estos hábitats es difícil de lograr en un experimento controlado de laboratorio y es aún más difícil de definir para una célula microbiana incrustada en el medio ambiente. Los Hábitats microbianos en los océanos están influenciados por una casi innumerable variedad de fuerzas y factores, incluyendo la salinidad, corrientes, los insumos terrestres, y el clima. La salinidad es relativamente constante en el océano abierto, pero es menos estable en las zonas costeras. Las corrientes del océano y del fondo marino han demostrado comportarse de otras maneras a las que se pensaba, en gran medida afecta a nuestra comprensión de los procesos de transporte en las profundidades del mar. Los Insumos terrestres crean gradientes de nutrientes, contaminantes, y otros asuntos que afectan a los hábitats. Los Efectos climáticos representan la mayor escala de influencia en los hábitats microbianos. La temperatura, precipitación y viento (incluyendo arrastrados por las partículas de viento) puede impactar cada comunidad marina en un variedad de formas Es importante destacar que los microbios marinos mismos ejercen influencia sobre sus hábitats por el consumo, la producción, y el secuestro de una variedad de compuestos. Por lo tanto, en los océanos, los gradientes de materiales importantes al micro y el macroorganismos igual son a menudo controlados por procesos llevados a cabo por los microbios. En el medio marino y en otras partes, las interfaces tienden a ser focos de diversidad y actividad biológica. Los hábitats microbianos marinos en las interfaces incluyen: aire-agua, agua-sedimento, hielo-agua, y hospedan las interfaces microorganismos-agua. La escala submilimétrica de la variabilidad física y química en estos hábitats plantea un serio desafío para el estudio de la interfaz de estos hábitats en detalle.

CAMBIAN CON EL TIEMPO

Los Hábitats microbianos cambian con el tiempo muchas escalas-dial (todos los días), estacional, decadal, y ya. Muchos de los cambios inducidos por las actividades humanas pueden afectar las comunidades microbianas marinas y, a su vez, pueden afectar las formas por la cual esas comunidades modulan el medio ambiente y el clima. Cambios temporales en los hábitats microbianos marinos pueden ilustrarse mediante la descripción de tres hábitats dispares: el centro Giro del Pacífico, la Bahía de Chesapeake, y los respiraderos hidrotermales, El Giro Central del Pacífico es un hábitat de mar abierto que cambia en una base dial, pero también ha expuesto los cambios en las últimas décadas como cambios que se producen entre la dominación de la comunidad por diatomeas y por pico plancton. La Bahía de Chesapeake exhibe cambios Diales, cambios estacionales marcados, y los cambios decenales profundos durante el último par de siglos mientras las actividades humanas pasan factura, los respiraderos hidrotermales exhiben tanto a cortos como largos periodos de fluctuación, el cambio en el transcurso de minutos, horas, y décadas. Esta variabilidad crea una efímero e impredecible para los microorganismos. En los próximos años, si las tendencias observadas en los gases de efecto invernadero continúan las emisiones continuaran aumentando las concentraciones de dióxido de carbono dando lugar a una disminución de pH de 0,3 En los océanos. Un pequeño número que significa grandes cambios. Esto sería una transformación completamente radical del océano hábitat de microorganismos y macroorganismos por igual. Para ilustrar, un cambio similar del pH en la acidez de la sangre humana daría lugar a la acidosis y una muerte dolorosa.

INTERACCIONES ENTRE HABITANTES EN LOS SEDIMENTOS Y COMUNIDADES PLANCTÓNICAS MARINA MICROBIANAS

En general, los microbios marinos en y cerca de sedimentos interactúan con reductores de intercepción y de difusión de los sedimentos a continuación y oxidantes difusión de la columna de agua por encima.

Por el contrario, los microbios planctónicos interceptan compuestos de carbono

de las actividades fotosintéticas cerca de la superficie del océano

y controlar el flujo descendente de nutrientes a los sedimentos.

Las conexiones entre el subsuelo y entornos planctónicos

son probablemente mayor en las zonas donde el fondo del mar es

propague. Sin embargo, los detalles de las interacciones entre el

comunidades microbianas de los sedimentos y las comunidades marinas

en la columna de agua no se conocen, una clara brecha en la corriente

conocimiento.