Desprovistas de luz y privadas de nutrientes, las profundidades de la Tierra pueden parecer demasiado áridas como para molestarse en buscar signos de vida. Pero los organismos microbianos subterráneos en realidad constituyen una parte enorme de la biosfera de nuestro planeta. Ocupan el segundo lugar después de las plantas en términos de biomasa total estimada.
Ahora, una mina de oro abandonada en Dakota del Sur está permitiendo la mirada más profunda hasta ahora a este mundo secreto de biodiversidad enterrada. En una nueva investigación publicada en la revista Microbiología ambientalun análisis genético de los microbios de la mina a una profundidad de hasta 1,5 kilómetros bajo la superficie revela un cisma en las estrategias de supervivencia. Algunos microbios tienen genomas grandes y voluminosos que los preparan para digerir cualquier nutriente que se les presente. Otros están tan optimizados genéticamente que ni siquiera pueden fabricar algunos de los componentes fundamentales de la vida y, en cambio, dependen de hurgar en ellos o de vivir en simbiosis con otras especies.
“Fue genial encontrar esa dicotomía total en la estrategia de supervivencia”, dice Lily Momper, consultora de la firma medioambiental y de ingeniería Exponent y primera autora del artículo. Se han observado resultados similares en otros pocos sitios de observación profunda de microbios en todo el mundo, dice Momper. “Creemos que probablemente se trate de una estrategia en el subsuelo profundo en general”, añade.
La vida que se esconde en las profundidades del subsuelo de la Tierra puede ser análoga a las criaturas extraterrestres que se ganan la vida en otros mundos; En comparación con nuestro propio orbe clemente, todos los demás planetas o lunas del sistema solar que posiblemente podrían albergar vida tal como la conocemos ofrecen condiciones de superficie mucho menos hospitalarias. Sin embargo, debajo de esos duros exteriores, a pesar de la oscuridad que todo lo consume, un organismo estaría protegido de los peligrosos rayos cósmicos y calentado por el calor geológico. Estos nichos subterráneos podrían ser las moradas predeterminadas para cualquier vida en otras partes del sistema solar, si no para el cosmos en general, lo que hace que los resistentes microbios escondidos dentro de nuestro propio planeta sean de vital interés para los astrobiólogos. Si algo vive ahora en Marte, por ejemplo, lo más probable es que habita bajo tierra y se ve y se comporta de manera muy parecida a los habitantes de las profundidades de la Tierra.
Los microbios que pisamos también tienen importancia más cerca de casa. Nadie conoce realmente los detalles de cómo se mueve el carbono desde la atmósfera y los ambientes acuáticos hacia el subsuelo, dice Karthik Anantharaman, ecólogo microbiano de la Universidad de Wisconsin-Madison, que no fue coautor de la nueva investigación pero cuyo laboratorio creó una herramienta de perfil genómico que se utilizó en el estudio. “¿Cómo influyen los microbios en ese ciclo? ¿A qué velocidad se transfiere el carbono? Anantharaman dice. Sin esas respuestas, puede resultar imposible una comprensión matizada del ciclo del carbono y su enorme influencia en el clima y la habitabilidad de la Tierra.
Las preguntas se vuelven particularmente apremiantes, dado que los humanos esperan mitigar el cambio climático inyectando dióxido de carbono nuevamente bajo tierra, un proceso llamado secuestro de carbono. “Muchas de esas conversaciones se llevan a cabo sin apreciar el hecho de que los microbios en realidad viven bajo tierra y podrían estar interesados en alterar esos procesos”, dice Magdalena Osburn, autora principal del nuevo estudio y geobióloga de la Universidad Northwestern.
El Observatorio microbiano de minas profundas, una red de pozos profundos situados en lo que alguna vez fue la mina de oro Homestake en Black Hills de Dakota del Sur, es uno de los pocos lugares en la Tierra donde los investigadores pueden estudiar estas comunidades profundas durante largos períodos de tiempo. “Hay muy pocos pozos tan profundos”, dice Anantharaman.
La mina, cerrada en 2002, penetra a 2.438 metros de profundidad. Desde 2007 es un laboratorio científico multidisciplinario llamado Instalación de investigación subterránea de Sanford, y ahora lo utilizan principalmente los físicos que estudian neutrinos y buscan partículas de materia oscura. Pero hay otro tipo de “materia oscura” ahí abajo, dice Osburn: microbios que nunca han sido cultivados en un laboratorio. Sólo se los conoce por sus detritos genéticos, fragmentos y paquetes de ADN que los investigadores pueden secuenciar en masa a partir de agua subterránea filtrada y reconstruir minuciosamente. Para recuperar estas preciosas muestras es necesario descender a las profundidades de la mina en una jaula de ascensor de madera y metal.
“Se te abren los oídos y hace mucho frío al principio, pero luego hace mucho calor cuando bajas”, dice Momper. “Está a más de 90 grados Fahrenheit [32-plus-degree-Celsius] rango cuando estás tan profundo. [The elevator] Es realmente desvencijado y algo aterrador la primera vez”.
Una vez en profundidad, los investigadores acceden a los pozos perforados para acceder a las fracturas llenas de líquido en la roca, filtrando varios litros de agua de cada una para capturar miles y miles de células microbianas individuales y sus genes. En el nuevo estudio, el equipo recolectó muestras de profundidades de 244, 610, 1250 y 1478 metros (800, 2000, 4100 y 4850 pies) y las comparó con muestras tomadas de un arroyo cercano en la superficie.
Luego, los investigadores abrieron las células microbianas y secuenciaron su material genético de una sola vez. A partir de esta mezcla, el equipo reconstruyó los genes resultantes en genomas orgánicos utilizando un software que detectó superposiciones entre secuencias individuales. El enfoque fue un poco como tomar un estante lleno de libros, triturarlos y luego reconstruirlos a partir de los pedazos, dice Momper.
Este método reveló genomas nunca antes vistos, lo que indica una gran cantidad de nuevas especies escondidas en las profundidades de la antigua mina de oro. Los investigadores también encontraron una gran diversidad entre los organismos. “Lo que nos llamó la atención de inmediato es que están haciendo mucho”, dice Osburn. “La capacidad metabólica de estos organismos es amplia, por lo que existe un enorme potencial para el ciclo del nitrógeno, el azufre y los metales en todas partes”.
Algunos de los organismos eran minimalistas, con genes sólo para unos pocos procesos metabólicos muy específicos. No fue sorprendente verlos en un lugar pobre en nutrientes como el subsuelo, dice Anantharaman, porque existe una carga metabólica asociada con el mantenimiento de un genoma grande y hambriento de energía. Más sorprendente, dice, fue el descubrimiento de una segunda clase de organismos maximalistas. Estos organismos tenían la capacidad de metabolizar sustancias químicas que no se encontraban en su entorno.
Esta preparación excesiva es sorprendente porque mantener tantos genes para tantas capacidades metabólicas implica un costo de energía, dice Osburn. Pero la naturaleza “preparadora” de estos microbios puede ser una ventaja en el subsuelo. “Las fracturas se abren; las fracturas se cierran; las cosas se mineralizan”, dice. “Muchos de estos organismos simplemente están preparados para cualquier fuente de energía que se les presente”.
Una ventaja de la antigua mina Homestake es que los investigadores pueden regresar una y otra vez para muestrear repetidamente los mismos pozos. Hay otros sitios de observación a largo plazo en todo el mundo donde los científicos han tomado muestras de materia oscura microbiana, incluidos Canadá, Suecia, Suiza y Finlandia. Es un desafío hacer comparaciones válidas entre estos sitios, dice Anantharaman, porque cubren una variedad muy amplia de condiciones ambientales. Eso hace que sea difícil responder preguntas como si la diversidad microbiana varía con la profundidad y cómo.
Sin embargo, un patrón común es que la mayoría de los sitios albergan una amplia variedad de vida. Osburn y su equipo ahora están estudiando la secuenciación no sólo del ADN sino también del ARN, el intermediario molecular entre genes y proteínas. El estudio del ARN microbiano puede revelar no sólo qué microbios poder hacer, dice Osburn, pero lo que son haciendo en un momento dado. Otro proyecto actual está analizando biopelículas subterráneas: acumulaciones estables de microbios que están protegidas por excreciones viscosas, que normalmente encontramos como depósitos espumosos en inodoros y fregaderos de cocina. Las biopelículas son difíciles de estudiar, dice Osburn, pero los investigadores tuvieron suerte: instalaron un sistema de filtración a largo plazo en un pozo de una mina en diciembre de 2019 y planearon recolectarlo entre tres y seis meses después. En cambio, llegó el COVID y el sistema de filtración estuvo inactivo durante cuatro años antes de que el equipo pudiera volver a revisarlo. Milagrosamente, estaba intacto.
“Esta es nuestra aproximación más cercana hasta ahora a cómo se ve esa biosfera basada en biopelículas in situ”, dice Osburn. “[The organisms] generó mucha biomasa y se ve realmente diferente de una manera que me entusiasma”.