Loricíferos anaerobios. Tan importantes que se reescribirán los libros de texto

A 3000 metros de profundidad no hay luz. Densidad, presión, sulfídrico y anoxia; las condiciones de la fosa de l'Atlante

  

Los fondos hipersalinos y anóxicos (Deep Hypersaline Anoxic Basins en inglés, de donde sale el acrónimo con el que se los suele denominar DHAB), son lagos de agua ultra-salada, sin oxígeno a más de una milla debajo de la superficie del océano. Son algunos de los ambientes más extremos en la Tierra, y sin embargo, la vida prospera allí. Los DHAB son el hogar de complejas comunidades de microorganismos que se han adaptado a su hábitat hostil y contribuyen a los ciclos globales de carbono, nitrógeno y otros elementos clave.

Esquema de un lago DHAB como el de la fosa de l'Atlante, visto aquí

 
Los DHAB son muy nuevos para la ciencia. Los primeros se encontraron en la década de 1980, y los científicos todavía están descubriendo DHABs que nunca se han observado antes. Los DHAB se producen en muchos de los océanos del mundo, incluyendo el Mediterráneo oriental, el Golfo de México y el Mar Rojo. Nosotros nos vamos a centrar en la fosa de l'Atlante.

La fosa de L'Atlante está situada a 3,5 kilómetros de profundidad, a unos 200 kilómetros de la costa occidental de Creta.  A 3,5 kilómetros bajo el nivel del mar no hay luz. La parte más profunda, el lago de aguas saladas se originó por la erosión del fondo que provocó la disolución parcial de un  antiguo depósito de sales de azufre. La hipersalinidad de este lago impide casi por completoque se mezcle con las aguas  que lo rodean, por lo que en este lago no hay oxígeno, es totalmente anóxico, muy denso y con una gran concentración de sulfídrico, se podría considerar como una salmuera.

Situación de l'Atlante y sus DHBA vecinas, Discovery y Urania, visto en https://openi.nlm.nih.gov/detailedresult.php?img=PMC2464584_1746-1448-4-8-1&req=4

Un equipo de biólogos italianos liderados por Roberto Danovaro ha estado estado estudiando esta fosa durante varios años. En 2010, en un estudio que causó sensación dada la importancia del hallazgo, publicaron que habían encontrado tres nuevas especies de loricíferos vivendo y prosperando en esos cienos anóxicos, en esas condiciones extremas. No es de extrañar la sorpresa que manifiesta Danovaro.

"Cuando los vimos, no nos lo podíamos creer. Antes de este estudiotan sólo se habían encontrado dos especies de loricíferos en el Mediterráneo profundo. ¡Había más organismos en 10 centímetros cuadrados de fondo anóxico que en el resto del mar Mediterráneo!".

Y es que no se conocía ningún animal que pasara todo su ciclo vital sin respirar ni una gota de oxígeno. Además se asumía que los organismos eucariotas habían alcanzado un mayor nivel de complejidad debido a la respiración aeróbica. El asunto es que se  sabe de muchos hongos absolutamente anaerobios, pero eso no llamó demasiado la atención debido a un sesgo zoocentrista que tenemos todos. Pero la aparición de animales estrictamente anaerobios sí que provoca una gran conmoción en el mundo de la investigación.

Ella, la más revolucionaria, la fosa de l'Atlante

  

Loricíferos, diminutos y extraños

 

Los loricíferos son unos diminutos animales marinos que viven entre los sedimentos. Debido a estas dos características su descubrimiento fue muy tardío, se describieron en los años ochenta. Taxonómicamente, Loricífera es un filo, que agrupa tan solo 37especies conocidas. Para dar una idea de la rareza de este grupo sólo hay que recordar que Filo es la división que está por debajo de Reino en la sistemática Lineana, y estos animales han logrado esa categoría con estas 37especies. Evolutívamente están emparentadoscon los gusanos gordianos y los gusanos-pene
, todos priapúlidos (de Príapo, dios de la mitología griega con un enorme falo) son un filo de animales pseudocelomados, vermiformes, marinos, que viven enterrados en fondos arenosos o fangosos, donde excavan galerías con su trompa. Contiene solo 18 especies. Más interesante me parece la faloobsesión de los taxonomistas, pero eso da para otros posts) . .Para saber más sobre los lorcíferos, este artículo resulta de gran ayuda.

Un loricífero, visto en https://inkchromatography.wordpress.com/2012/01/03/scientist-sunday-reinhardt-kristensen/

El equipo de Danovaro halló estos animales entre los sedimentos que recolectaron en el lago salino, en concreto tres nuevas especies: Estas tres especies se llaman Spinoloricus nov. sp. (o Spinoloricus Cinzia), Rugiloricus nov. sp. y Pliciloricus nov. sp.

La extremeda improbabilidad de que unos animales vivieran allí los llevó a ser muy cautelosos, de hecho llevaron a cabo experimentos diseñados con la intención de poder comprobar in situ que estos  animales estaban vivos y pasaban su vida sin oxígeno.

Hay que entender la dificultad de realizar estos estudios; los científicos no podían subir estos animales - adaptados a estas condiciones extremas de salinidad, presión y profundidad - porque morirían; así que tuvieron que ingeniarselas. Probaron que estos diminutos seres eran capaces de incorporar moléculas teñidas con fluorescente para hacerlas visibles, lo que indicaba que se alimentaban.También usaron un sustrato que reacciona sólo con la presencia de enzimas activas, que reaccionó con los loricíferos pero no con los restos de animales muertos presentes en el fondo de l'Atlante. Además los loricíferos estaban completamente intactos, sin descomponer, a diferencia de otros animales claramente en estado cadavérico que los investigadores encontraron.

Lo más impresionante fue que algunos loricíferos parecían llevar huevos en su cuerpo, indicando que se estaban reproduciendo. Hay muchos animales que viven gran parte de su vida en condiciones anóxicas, pero para encontrar pareja, copular y reproducirse necesitan un gran gasto de energía que según lovisto hasta ahora necesitaba del aporte más eficiente energéticamente dela respiración aeróbica. Estos traviesos loricíferos serían los primeros que lo harían sin oxígeno.

Figure 1: Metazoans retrieved from the L’Atalante basin “(a) Light microscopy (LM) image of a Copepod exuvium (stained with Rose Bengal); (b) LM image of dead nematode (stained with Rose Bengal); (c) LM image of the undescribed species of Spinoloricus (Loricifera; stained with Rose Bengal); (d) LM image of the undescribed species of Spinoloricus stained with Rose Bengal showing the presence of an oocyte; (e) LM image of the undescribed species of Rugiloricus (Loricifera, stained with Rose Bengal) with an oocyte; (f) LM image of the undescribed species of Pliciloricus (Loricifera, non stained with Rose Bengal); (g) LM image of moulting exuvium of the undescribed species of Spinoloricus. Note the strong staining of the internal structures in the stained loriciferans (c and d) vs. the pale colouration of the copepod and nematode (a, b). The
loriciferan illustrated in Figure 1e was repeatedly washed to highlight the presence of the internal oocyte. Scale bars, 50 μm.” – Danovaro et al, 2010 (Image ©2010 Danovaro et al; licensee BioMed Central Ltd. CC BY 2.0)

Imágen tomada del estudio de 2010, Animales anaeróicos de antiguos nichos ecológicos anóxicos

Después de este trabajo tan meticuloso, los científicos publicaron en 2010 sus hallazgos en el journal BMC Biology.  El estudio como he dicho atrajo mucha atención, porque rompía un gran supuesto de partida de la zoología, que los animales necesitaban siempre de oxígeno, aunque fuera al menos en una etapa muy importante, la reproducción. Obviamente en estos casos la comunidad científica examina con mucha más precaución lo que afirman estos estudios.

A decir verdad, todavía no se sabe gran cosa de ellos. Están en ello. Pero se reproducen por huevos (que nooo, que quiero decir que son ovíparos). Aunque el equipo del Dr. Danovaro no logró llevar a ninguno de estos animales hasta la superficie sin que murieran por el camino, dos de los que obtuvieron contenían huevos. Se los extrajeron y los incubaron en condiciones totalmente anóxicas a bordo del buque, con éxito. Los huevos terminaron abriéndose y dieron lugar a animalitos vivos.

El reto de probar que estos animales son anaerobios

 

Un equipo del Woods Hole Oceanographic Institution, de Massachusets,liderados por Joan Bernhard visitó l'Atlante en 2011 para encontrar y estudiar estas especies de loricíferos de las profundidades. Publicaron un segundo estudio en 2015 en el que pusieron en duda que hubiera animales vivos en la laguna del l'Atlante. Es cierto que el inicio de la crítica fue interesante, el equipo encontró las mismas especies de loricíferos descritas por Danovaro en aguas menos profundas que contenían algo de oxígeno, pero cuanto más se acercaban a la laguna salina menos animales vivos aparecían.

Sin embargo, no consiguieron entrar en la laguna con su vehículo guiado remotamente por dificultades técnicas. Aún así mantienen su excepticismo sobre las conclusiones de Danovaro argumentando que es muy improbable que estos loricíferos estén adaptados a la vez a los ambientes de la laguna y aquellos en donde los encontraron.

Según el equipor de Massachusets lo que pudo haber encontrado Danovaro eran los caparazones de los loricíferos muertos, que habrían caído al cieno de la laguna y que estarían usando las bacterias anaerobias de este ecosistema a modo de cubierta, como hacen los cangrejos ermitaños con las conchas de caracoles. La bacterias vivas habrían incorporados los biomarcadores que desarrollaron Danovaro y sus colegas para hacer experimentos.

Esta es una afirmación inusualmente dura entre científicos, porque da a entender que los italianos habrían estado diez años estudiando caparazones de animales muertos sin saberlo. Es más, durante esos diez años, y a pesar de haber buscado expresamente ejemplares que no dieran muestras de pertenecer a cadáveres, no habrían aprendido a distinguirlos.

En 2016 el equipo de Danovaro respondieron a las dudas vertidas por la universidad. Replicaron que el fracaso de los de Massachussets en encontrar los loricíferos en el cieno de la laguna anóxica no implica que no estén ahí. Es decir que la ausencia de evidencia no implica evidencia de la ausencia (lo cual también es una crítica muy ácida).

Además, si los animales estuvieran muertos y habitados por bacterias, argumentan, esto hubiera sido obvio cuando se los examinó con el microscopio. Pero de hecho los loricíferos no mostraban el menor indicio de estar muertos y descomponiéndose por microbios. Y no se encontraron bacterias viviendo dentro de los animales.
Tal como explicaron en su repuesta a las objecciones del equipo de Massachussets:

 La conclusión de Bernhard de que "la posibilidad dede la comunidad de metazoos viables en las salmueras no se apoya por nuestros datos en este momento "es correcta, pero se debe simplemente por el hecho de que los autores no pudieron: i) obtener muestras de los sedimentos permanentemente anóxicos de las salmueras, ii) realizar análisis metabólicos sobre Loricifera(Por ejemplo, la incorporación de CellTracker Green debido a la falta deLoricifera en las muestras incubadas) y iii) obtener secuencias de rRNA de Loricifera. Demostrar la presencia de organismos multicelulares con ciclos de vida complejoscompletamente anaerobios es un desafío.
La única evidencia incuestionable sería un vídeo (sea in situ o en el laboratorio) mostrando su movilidad en diferentes etapas de la vida y su alimentación en condiciones anóxicas.Sin embargo, esto no es factible en este momento con las tecnologías disponibles. Al mismo tiempo, laEvidencia proporcionada por Danovaro et al. no se han rebatido, y la información adicional que se da quí (por ejemplo, la presencia de Loricifera entero en sedimentos de hasta 3000 años antes de la fecha presente, la presencia de Loricifera sólo en sedimentos anóxicos y su enorme abundancia y biodiversidad en zonas anóxicas), apoya la hipótesis de existencia de netazoos en condiciones anóxicas.

 Otro punto muy importante es que estos loricíferos tienen una variedad de mirocondrias denominada hidrogenosomas, capaces de respirar aeróbicamente, tal como se explica en el paper de Menkel y Martin,Energy metabolism among eukaryotic anaerobes in light of Proterozoic ocean chemistry
que comenté en esta entrada.

Síntesis de  ATP en los hidrogenosomas, fuente Wikipedia

La importancia de estos loricíferos

Otro loricífero, ¿a que no te figurabas que un invertebrado diera tanto que pensar?

    
La teoría es que la evolución de la vida explotó cuando el oxígeno se hizo disponible en la atmósfera y el océano, y que las formas de vida libres de oxígeno son muy simples (una vez más el prejuicio zoocentrista). Sin embargo ahí están estos pequeños animales evidenciando que esto es sólo una suposición.

Según Danovaro "La complejidad y organización requiere oxígeno, porque esto es más eficiente para la producción de energía". Cuando los niveles de oxígeno subieron, hace cientos de millones de años, fue como si le hubieran quitado un peso de encima a la evolución, oportunidad que aprovecharon los eucariotas. Los eucariotas, en esta visión, se hicieron mucho más complejos gracias al oxígeno gracias a la incorporación de la mitocondria que les dio una gran ventaja evolutiva.   

Danovaro considera factibles dos hipótesis, que algunos animales -como los loricíferos- pueden haberlo atascado en una etapa previa al desarrollo de la respiración aeróbicay vivido sin oxígeno, quedando pequeños como consecuencia, o que hayan ganado la adaptación a la respiración anaeróbica por transferencia horizontal de genes.

Sin embargo la visión de Mentel es mucho más radical. Coautor de Metabolismo de la energía entre los eucariotas anaerobios bajo la luz de la química de los oceanos Proterozoicos, Marek Mentel defiende que el antepasado común de todos los eucariotas fue anaerobio, y que la respiración aeróbica vino después. 
En un artículo publicado en Creative Commons en 2016 muestra su escepticismo sobre la posibilidad de que los loricíferos evolucionaran por transferencia horizontal de genes:

La cuestión es la capacidad de los metazoos (eucariotas multicelulares) para sobrevivir en la zona estrictamente anaeróbica. Se debería investigar si estos animales albergan y expresan cualquiera de los genes que los protistas usan para sobrevivir en ambientes anaeróbicos, o si tienen algún otro medio de sobrevivir sin oxígeno. Es más probable que usen estrategias más parecidas a las encontradas en las mitocondrias anaeróbicas de los animales parásitos, por ejemplo, la dismutación del malato con la participación de la rodoconona .

La posibilidad de la transferencia horizontal de genes (THG) le parece remota por tres razones. En primer lugar, los anaerobios eucarióticos estudiados hasta ahora siempre tienen la misma estructura básica de carbono y energía, y si THG estaba detrás de la anaerobiosis eucariótica, entonces los anaerobios eucarióticos deberían ser tan fisiológicamente diversos como anaerobios procariotas, lo cual no es cierto. En segundo lugar, las ciencias de la Tierra nos dicen que los hábitats anaeróbicos son antiguos y que los hábitats aeróbicos son recientes; por lo tanto, si acaso, deberíamos estar viendo THG como un medio para mejorar la función mitocondrial en los hábitats aeróbicos. Por ejemplo, la oxidación aerobia del metano es una forma muy extendida de metabolismo energético en procariotas, pero no vemos eucariotas que han adquirido genes para hacer eso, más bien, los eucariotas poseen una reserva ancestral de enzimas. En tercer lugar, a menudo se propone que un linaje de eucariotas adquiere una u otra enzima anaerobia a través de THG a partir de procariontes y luego pasa a través de eucariota a eucariota por THG otra vez con el fin de dar cuenta de la monofilia de las enzimas eucariotas implicados. Esa idea se ha probado específicamente a nivel de todo el genoma, y ​​rechazado, por lo que las "distribuciones de genes parche" que a menudo se ven como el sello de THG son en realidad mejor explicado por la pérdida diferencial de lo que lo son por THG.

En cualquier caso, el hecho de haber encontrado animales que prosperan sin oxígeno ninguno ya es causa suficiente para reescribir los manuales de Biología diciendo eso de la anaerobiosis existe, hemos encontrado los bichos que lo demuestra.

La vida rompe las reglas. ¿Y si podemos abrir el objetivo de nuestra lente mental y buscar seres multicelulares en planetas con atmósferas sin O₂?

Hace mucho tiempo que comento mi fascinación por los animales debido a que son "rulebreakers". A pesar de las enormes limitaciones que impone la fisiología jeraquizada de los animales se las apañan para dar al traste con casi cualquier regla que quiera imponerles nuestra mente. Pero yo también sufro de un enorme zoocentrismo, ¿cómo iba a ser lo contrario si me gustan los animales en otros muchos aspectos?. Debería decir que la vida es la gran rompedora de reglas, y que la existencia de estos animales anaerobios, así como la gran cantidad de organismos extremófilos que se está descubriendo últimamente espolea nuestra imaginación, además de incrementar las posibilidades teóricas de encontrar vida ahí fuera. Para ver una extensa discusión sobre el asunto, este post, http://www.lapizarradeyuri.com/2014/02/08/la-anomalia-de-latalante/ delblog la Pizarra de Yuri es el sitio. A pesar de que el autor cae en el mismo zoocentrismo que yo.

Por último, cada vez se retrasa más la fecha de inicio de la vida en la tierra. El sorprendentemente abrupto inicio de la vida puede ser debido a que ya llegó de fuera.

Pensadlo.

Es abrumador.

Pero yo sólo me dedico a contar las cosas, queda mucho por investigar.

Enlaces de interés:
Los loricíferos
Metabolismo de la energía entre los eucariotas anaerobios bajo la luz de la química de los oceanos Proterozoicos
Animales anaeróicos de antiguos nichos ecológicos anóxicos
Éxito de la incubación de huevos de loricíferos en ambientes anaerobios
sesgo zoocentrista 
Disputas entre Danovaro y Bernhard sobre la validez de su descubrimiento
Respuesta de Danovaro a las críticas del equipo de la universidad de Massachussets
Animales, ambientes anóxicos y razones para ir al fondo

Discusión sobre la posibilidad de seres multicelulares en planetas sinoxígeno dimolecular

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Deep Hypersaline Anoxic Basins, or DHABs, are lakes of ultra-salty, no-oxygen water more than a mile below the surface of the ocean. They are some of the most extreme environments on Earth. Credit: Jack Cook, Woods Hole Oceanographic Institution

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