Los insólitos habitantes de las nubes
¿Quién dijo que la atmósfera era un medio estéril, carente de vida? Multitud de bacterias, virus, hongos y otros microorganismos viajan por el aire o habitan en las formaciones nubosas y juegos un papel activo en la formación de lluvias y otros fenómenos atmosféricos.
Encontramos vida en todos los ecosistemas por extremos que sean, desde las profundas fumarolas submarinas hasta los hielos polares, pasando por los desolados desiertos o las selvas tropicales. Los seres vivos han conquistado todos los medios terrestres y acuáticos, y una gran variedad de organismos cambian de lugar arrastrados por el viento. Estudios recientes sugieren que el propio aire podría ser un ecosistema en sí mismo, pues no solo transportaría virus, bacterias, hongos, algas, esporas y granos de polen, sino que tendría su propia biota, una comunidad microbiana con una destacada importancia biológica y económica.
La idea no ha sido confirmada, pero estudiarla es clave porque muchos microorganismos causan enfermedades en plantas, animales y humanos, alteran los alimentos y los materiales orgánicos, y contribuyen a la corrosión de los metales y al deterioro de los monumentos.
La mayor parte del aeroplancton vive en la troposfera, la capa de la atmósfera en contacto con la superficie terrestre que se extiende hasta los 10 km de altura, aunque se han encontrado organismos microscópicos mucho más arriba. En 1978, el microbiólogo ruso Alexander Imshenetsky envió cohetes meteorológicos a la mesosfera, una región de la atmósfera que se extiende entre los 50 km y los 80 km de altitud, y que está sometida a una intensa radiación, con temperaturas cercanas a -100 ºC que desintegran los meteoritos. Imshenetsky tomó precauciones para evitar la contaminación biológica en el experimento y dotó a los cohetes de un sistema de filtros para atrapar las partículas en suspensión. Entre los microorganismos capturados identificó dos especies bacterianas (Micro coccus albus y Mycobacterium luteum) y cuatro de hongos (Circinella muscae, Aspergillus niger, Penicillium notatum y Papulaspora anomala). Cinco de estas especies sintetizaban pigmentos que las protegían de los rayos ultravioleta. “La presencia de formas microbianas pigmentadas nos lleva a creer que la selección natural está ocurriendo en la mesosfera, porque las células que poseen pigmentos cromógenos (carotenoides, melaninas) son más resistentes a la acción del rayo ultravioleta”, escribió Imshenetsky.
Su trabajo amplió la biosfera hasta límites entonces insospechados, aunque, según Diego A. Moreno, catedrático de Ingeniería y Ciencia de los Materiales de la Universidad Politécnica de Madrid y miembro del equipo investigador del proyecto Airbiota-CM, “los resultados fueron limitados por el procedimiento empleado para el aislamiento e identificación de los microorganismos, ya que en aquella época se carecía de las modernas técnicas de biología molecular”.
Tradicionalmente, los métodos de identificación y recuento se han basado en el cultivo de los microbios en laboratorio, pero pocas especies crecen en ese medio: apenas ha prosperado el 1 % de las bacterias recolectadas en la atmósfera. Los avances en genómica han eliminado este problema.
“Con las nuevas técnicas de amplificación y secuenciación masivas del ADN existe la posibilidad de conocer la biodiversidad completa, de identificar cada microorganismo presente en el aire”, explica Moreno. Sin llegar tan alto como Imshenetsky, científicos norteamericanos hallaron grandes cantidades de bacterias y hongos a unos 10 km sobre la superficie terrestre, donde constituyen el 20 % de las partículas en suspensión.
En 2010, un avión de la NASA tomó muestras del aire en el sur de Estados Unidos, el Caribe y el océano Atlántico antes, durante y después de los huracanes Earl y Karl, para su programa de investigación de las masas aéreas a gran altura durante las tormentas tropicales. Las partículas biológicas se amplificaron mediante la técnica de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que permite obtener muchas copias de un fragmento de ADN a partir de una mínima cantidad. Después se secuenciaron, se identificaron los microorganismos y se estimó su cantidad sin tener que recurrir al procedimiento convencional de cultivo celular.
Las bacterias de las muestras, de diecisiete grupos diferentes, eran diez veces más numerosas que los hongos y poseían unas características que les permitían sobrevivir en el medio aéreo alimentándose de compuestos de carbono, como el ácido oxálico. “No esperábamos encontrar tantos microorganismos en la troposfera, que es un entorno difícil para la vida”, dice Kostas Konstantinidis, del Instituto de Tecnología de Georgia en Atlanta. Esta zona de la atmósfera se caracteriza por un bajo pH (de 3 a 7), gran oscilación térmica (entre 20 ºC y -50 ºC), escasez de agua, altas dosis de radiación ultravioleta y una compleja mezcla cambiante de compuestos orgánicos e inorgánicos.
La presencia de microorganismos en la troposfera influye en el clima y el tiempo, porque son capaces de actuar como semillas en la formación de gotas de hielo y agua, con el consiguiente impacto en el ciclo hidrológico: “Una pequeña cantidad de estos microorganismos puede facilitar la formación de hielo a estas altitudes y atraer la humedad circundante”, afirma Athanasios Nenes, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (Suiza).
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Las nubes son aerosoles, mezclas de gas y partículas microscópicas de diversa naturaleza, como polvo, carbón, sal de mar u otros minerales que, arrastradas por el aire, llegan hasta las capas superiores de la atmósfera. Con la altitud, el vapor de agua se enfría y condensa. Sin embargo, esa transición de vapor a líquido requiere de pequeñas partículas en suspensión, los llamados núcleos de condensación de nubes (NCC). Se ha comprobado que los microorganismos pueden actuar como NCC, según explica Elena González Toril, del Departamento de Evolución Molecular del Centro de Astrobiología del CSIC: “Ese papel posiblemente lo lleven a cabo de forma pasiva, ya que son aglutinantes. Entre las moléculas capaces de formar el embrión del hielo a temperaturas cercanas a 0 ºC se encuentran las proteínas presentes en las membranas de Pseudomonas syringae, una bacteria fitopatógena componente habitual del aeroplancton”.
En el Observatorio de Física del Globo de Clermont-Ferrand (Francia), situado en la cima del Puy de Dôme, a 1.465 m de altitud, estudian la presencia de microorganismos en la lluvia y la nieve recién caída, así como la microbiología de las gotas gracias a un aspirador de nubes. Se han aislado entre 10.000 y 100.000 microbios por migetty lilitro, una concentración similar a la que puede encontrarse en el agua de grifo. Se han identificado más de setecientas especies que suelen encontrarse en el suelo, el agua o sobre las plantas.
Cindy Morris, del Instituto Nacional de Investigación Agronómica de Francia, cree que durante millones de años las bacterias formadoras de hielo en la superficie de las plantas, como algunas especies de los géneros Pseudomonas y Erwinia, probablemente han desempeñado un papel clave en la formación de las nubes para su propia supervivencia. Este proceso sería el resultado de la selección natural.
Una vez en la atmósfera, las bacterias no pueden permanecer en ella mucho tiempo, porque no soportan las bajas temperaturas. “Como no caen al suelo por la fuerza de la gravedad, solo la lluvia o la nieve pueden bajarlas hasta las plantas donde viven, para cerrar el ciclo. De ahí que se dediquen a fabricar nubes”, afirma Morris.
Los científicos parten de la base de que el origen de los microorganismos aéreos está en la superficie terrestre. El viento, el impacto de las gotas de lluvia o del granizo sobre el suelo, el movimiento del agua en los ríos y el mar, el tratamiento de aguas residuales, los aspersores de riego, el aire acondicionado o las secreciones respiratorias del hombre y de los animales, pueden propulsarlos hacia la atmósfera en forma de bioaerosoles. Algunos vídeos filmados a muy alta velocidad confirman que los vientos ascendentes y la convección debida al calor del sol son suficientes para que asciendan.
La cuestión es averiguar si, una vez en la atmósfera, se adaptan a vivir en ella. “Es lo que todos queremos saber, pero resulta complicado, pues hay que hacer estudios de transcriptómica, del ARN involucrado en la producción de proteínas, para ver si estos organismos están desarrollando su ciclo vital completo en el aire. El problema es que la biomasa que se puede recolectar, la cantidad de microorganismos que recogemos, es muy baja. Y si ya resulta difícil obtener una cantidad suficiente para los estudios de ADN, lo es mucho más para los de ARN”, señala González Toril.
Algunos microorganismos se encuentran en forma de células vegetativas suspendidas en la atmósfera, asociadas a partículas de polvo, fragmentos de hojas secas, piel, fibras de la ropa o minúsculas gotas de agua. Y aunque la atmósfera sea en general un ambiente inhóspito, determinadas localizaciones temporales pueden ser adecuadas. Las nubes poseen agua, luz y CO2 suficientes para permitir el crecimiento de los microorganismos fotoautótrofos, que hacen la fotosíntesis para obtenasaner energía. Asimismo, el aire contiene una mezcla de moléculas orgánicas (carbohidratos; proteínas; aminoácidos; alcoholes; fenoles; biopolímeros, caso de la celulosa; ácidos fórmico, acético y carboxílicos...), además de polvaredas de materia inorgánica. Se trata de un medio lo suficientemente rico como para que puedan vivir algunos microorganismos heterótrofos.
Para protegerse de la radiación ultravioleta, muchos están provistos de pigmentos, como ficobiliproteínas, clorofilas y carotenoides. Pero lo más frecuente es que hongos y bacterias se encuentren en el aire bajo formas esporuladas. Las gruesas paredes de las esporas las protegen contra la desecación y, gracias a su bajo metabolismo, no necesitan nutrientes externos ni agua para mantenerse durante mucho tiempo.
También hay virus flotando en el aire. Muchos de los que afectan a humanos (ortomixovirus, paramixovirus, poxvirus, picornavirus), animales y plantas se transmiten por vía respiratoria. Su permanencia en ese medio dependerá de su forma, tamaño y peso y de la potencia de las corrientes.
La sedimentación por gravedad solo se produce con el aire en calma. La lluvia es el sistema más eficaz para que caigan al suelo. Numerosos virus circulan por la atmósfera y caen de vuelta a la Tierra después de recorrer grandes distancias a través de las tormentas de polvo y las precipitaciones.
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Científicos de las universidades de Granada, Columbia Británica (Canadá) y San Diego (EE. UU.) han demostrado que cada día se depositan 800 millones de virus y más de 20 millones de bacterias por metro cuadrado en zonas de Sierra Nevada situadas a entre unos 2.500 m y 3.000 m de altitud. Los investigadores eligieron estas áreas de muestreo porque por encima de la capa límite atmosférica las partículas están sujetas a un transporte de largo alcance.
Estos virus se suelen depositar por el lavado atmosférico de la lluvia y por sedimentación por gravedad. La lluvia es menos eficiente retirando virus que bacterias, por el tamaño de las partículas a las que se adhieren unos y otras. Isabel Reche, catedrática del Departamento de Ecología en la Universidad de Granada, explica que “la mayoría de los virus parecen tener procedencia marina y suelen ser transportados asociados a partículas orgánicas de menor tamaño que las que se adhieren a las bacterias”. Estas últimas viajan con partículas de naturaleza mineral, especialmente procedentes del suelo del desierto del Sahara. “El pequeño tamaño de las partículas y la baja eficiencia de deposición de la lluvia hace que los virus persistan más tiempo en la atmósfera y, por tanto, viajen más lejos”, señala Reche.
El trabajo, publicado en la revista International ‘Society for Microbial Ecology’, explicaría por qué se han encontrado virus genéticamente idénticos en lugares muy distantes del planeta capaces de recorrer grandes distancias sin perder viabilidad. También les pasa a hongos como el moho Puccinia graminis, causante de la roya del trigo, cuyas esporas se han encontrado a casi mil kilómetros de su origen. La enfermedad del coral del Caribe está provocada por el hongo Aspergillus sydowii, transportado varios miles de kilómetros por las nubes de polvo sahariano. La enfermedad de Kawasaki que afecta a miles de personas de Japón y Estados Unidos, en su mayoría niños, es debida a una toxina producida por una levadura del género Candida procedente del noroeste de China que es arrastrada por el viento.
La comunidad microbiana presente en el aire también es responsable de enfermedades en plantas y animales, y del mal de piedra que daña los monumentos e influye sobre el clima. Su estudio es el objetivo de proyectos como Airbiota-CM, que pretende determinar la cantidad y diversidad de la aerobiota en la atmósfera sobre el cielo de Madrid. De confirmarse que los microorganismos pueden nacer, crecer, reproducirse y morir en altitud, la búsqueda de vida extraterrestre deberá ser ampliada e incluir las atmósferas exoplanetarias.
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