Tapissos microbians: estructures primitives que podrien ajudar-nos a trobar vida en altres mons

Santiago Cadena 1,2, Paula Maza-Márquez 3, Sandra I. Ramírez Jiménez 2, Sharon L. Grim 3, José Q. García Maldonado 1, Leslie Prufert-Bebout 3 i Brad M. Bebout 3*

1DepartamentodeRecursosdelMar,CentrodeInvestigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Mérida, México 2

Centro

de Investigaciones Químicas, Universidad Autónoma del Estado de Morelos, Cuernavaca, México

3Exobiology

Branch,

National

Aeronautics

and

Space Administration (NASA) Ames Research Center, Mountain View, CA, United States

Alguns organismes microscòpics creixen junts per formar estructures conegudes com a tapissos microbians. Aquests tapissos estan formats per diverses capes de diferents colors, i la seva estructura depèn de condicions ambientals com la llum solar, la humitat i els aliments disponibles. Els tapissos microbians es poden trobar a oceans, llacs i llacunes costaneres, així com en entorns extrems com deserts, regions polars i fonts termals. L’estudi de fòssils indica que els tapissos microbians eren una forma de vida comuna a la Terra primitiva, i han persistit al nostre planeta des de llavors! Per tant, l’estudi de tapissos moderns ens ajuda a entendre la vida microbiana del passat i com podrien ajudar a regular el clima de la Terra. Els científics creuen que els tapissos microbians poden prosperar en planetes rocosos com la Terra, per la qual cosa estan estudiant els tapissos en diferents entorns terrestres per ajudar-los a reconèixer proves de la seva presència en altres mons.

ELS MICROORGANISMES PODEN FORMAR GRANS ESTRUCTURES !

Els microorganismes són éssers vius microscòpics que no es poden veure a simple vista, ja que la majoria estan formats només per una cèl·lula. Per veure’ls necessitem un microscopi. Viuen dins i sobre els nostres cossos, així com en els nostres voltants, incloent el sòl, l’aigua i l’aire. De vegades, els microorganismes treballen junts per construir grans estructures que es poden observar sense microscopis. Els líquens, per exemple, semblen plantes, però són el resultat d’una relació interessant entre algues i fongs, que formen escates o branques sense fulles en arbres o roques. El iogurt, el vinagre, el formatge i el pa es produeixen mitjançant processos de fermentació realitzats per un grup de microorganismes específics. Algunes plantes construeixen petites estructures anomenades nòduls radiculars, on els microorganismes hi poden viure. Gràcies als microorganismes d’aquests nòduls, les plantes poden obtenir més aliment de l’entorn, i gràcies a les plantes, els microorganismes tenen un lloc on viure i molt de sucre per alimentar-se. Comunament, quan el menjar es descompon a la nevera, es pot observar una capa de microorganismes coneguda com a biofilm creixent sobre ell.

A la natura, molts microorganismes viuen al sòl. Utilitzant sòl, aigua i minerals, aquests microorganismes poden formar grans estructures sòlides. Quan hi ha menjar de bona qualitat, alguns microorganismes poden reproduir-se per milions, adherits a grans de sòl o sorra, creant estructures que semblen roques o fang normals, però que són realment estructures vives construïdes per multitud d’organismes microscòpics. Hi ha diferents tipus d’estructures rocoses formades per microorganismes. Tenen noms com microbialits, endoevaporits, oncòlits i estromatòlits (Figura 1) [1]. Aquestes estructures poden tenir diverses formes i colors, que estan fortament influenciats per les condicions ambientals presents durant la seva formació. Els tapissos****microbians són un exemple específic d’una estructura construïda per microorganismes.

QUÈ SÓN ELS TAPISSOS MICROBIANS I QUÈ FAN?

Els microorganismes necessiten energia i aigua per construir un tapis microbià. L’aigua pot ser proporcionada per fonts termals, llacunes o línies costaneres, i molts microorganismes utilitzen la llum solar com a font principal d’energia. Amb prou energia i aigua, els microorganismes poden florir sobre una superfície, adherint-se junts amb aliment i grans de sorra o sòl, i construint tapissos que poden arribar a ser de fins a uns centímetres d’espessor (Figura 1C). En alguns casos, un nou tapis viu creix sobre un tapis més antic i mort, creant capes gruixudes (Figures 1G,H). Com suggereix el nom, els tapissos semblen catifes o moquetes, ja que cobreixen superfícies de diverses mides. Quan es veuen de prop, els tapissos també tenen una capa vertical interessant (Figura 2). Els microorganismes poden estar distribuïts en capes verdes, taronges, vermelles i liles, amb cada capa representant una comunitat diferent de microorganismes que necessita diferents quantitats de llum solar i oxigen (Figura 1I). Tots els microorganismes del tapis treballen junts per sostenir-se i interactuar amb el seu entorn.

Figura 1: Exemples d’estructures fetes per microorganismes utilitzant sòl, aigua, roques i minerals. (A) Oncòlits de la localitat de Casey Falls, Canning Basin, Austràlia Occidental (crèdit de la fotografia: Heidi Allen). (B) Endoevaporit. (C) Tapis microbià. (D, E, G, H) Tapissos microbians a la Península de Yucatán, Mèxic. (F) Tapissos microbians del Middle Island Sinkhole, Llac Huron, Amèrica del Nord (crèdit de la fotografia: John Bright, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary). (I) Secció transversal d’un tapis microbià de Guerrero Negro, Mèxic.

Figura 2: Magnificació del primer centímetre superior d’un tapis microbià. (A) Estructura d’un tapis microbià clàssic. Els microbis vius es troben a la capa superior, mentre que el tapis més antiga està sota. (B) Una vista propera d’una secció transversal del primer centímetre d’un tapis, mostrant les diferents capes formades. (C) Diferents tipus de microorganismes viuen a les diferents capes d’un tapis microbià. Elements importants com el carboni, el nitrogen i l’oxigen són reciclats pels microorganismes.

Els estudis han demostrat que els tapissos microbians són importants per al funcionament dels ecosistemes. Per exemple, quan els tapissos colonitzen el sòl, contribueixen a la salut dels sòls i sediments, produint nutrients que els enriqueixen. Els tapissos participen en el reciclatge d’alguns elements químics, com el carboni, el nitrogen i el sofre. També poden netejar l’aigua i, a més, absorbeixen i alliberen gasos de l’atmosfera, com l’oxigen, l’hidrogen, el diòxid de carboni i el metà. Els tapissos també són una font d’aliment per als animals. Algunes mosques, cargols, cucs, crancs i ocells s’alimenten de petites porcions de tapissos microbians, i els organismes més grans poden alimentar-se d’aquests més petits [2]. Com que les tapissos es consumeixen constantment, sovint no creixen gaire, excepte en entorns extrems1.

TAPISSOS MICROBIANS AL VOLTANT DEL MÓN

Avui en dia, els tapissos microbians es poden trobar en llacunes costaneres tropicals, estuaris i badies, però poden ser difícils de detectar perquè només creixen grans quan tenen prou menjar i estan protegits de les espècies que les pasturen. No obstant això, els tapissos es troben àmpliament al registre fòssil, indicant que, fa bilions d’anys, aquestes estructures eren abundants a la Terra primitiva. Pensa-hi! Els dinosaures van aparèixer fa 0.245 bilions d’anys, els peixos fa 0.530 bilions d’anys i les plantes aquàtiques fa 1.2 bilions d’anys, però els tapissos microbians estaven presents a la Terra fins i tot fa 3.5 bilions d’anys, molt abans que existissin altres formes de vida. A la Terra primitiva, aquestes estructures microbianes proliferaven sobre superfícies rocoses o arenoses a tot el món. Imagina-t’ho! Avui dia, els tapissos microbians solen ser menjats per altres organismes, però fa milers de milions d’anys, aquells éssers vius més evolucionats no havien aparegut, així que els tapissos seguien creixent! Els tapissos microbians són una de les formes més antigues de vida organitzada i l’estudi dels tapissos actuals ajuda els científics a entendre la seva contribució als ecosistemes tant a la Terra moderna com a l’antiga.

Les dades geològiques i els estudis de laboratori han revelat la importància dels tapissos microbians en la història de la Terra. Es creu que, en el passat, l’abundància i l’alta activitat dels tapissos van crear l’atmosfera que respirem avui. A més, com que els tapissos antics alliberaven diòxid de carboni i metà, també van contribuir a la regulació del clima de la Terra, ajudant a crear l’atmosfera càlida que va fer de la Terra un planeta habitable [3].

TAPISSOS COM A MODELS PER A LA VIDA EXTRATERRESTRE

Els tapissos microbians s’han observat en ecosistemes extrems, com per exemple en àrees extremadament salades al voltant de les costes i en els sòls dels deserts. A més, poden formar-se a les regions polars adherides al permafrost, que és un sòl que mai es descongela. S’han descobert tapissos a temperatures elevades, a prop de volcans i fonts termals. També s’han trobat en l’oceà profund, sota condicions extremes de llum i pressió.

Com que els tapissos poden créixer sota variacions extremes de llum solar, aigua, temperatura i salinitat, els científics creuen que els tapissos microbians podrien existir més enllà de la Terra, creixent en altres planetes o llunes rocoses. La majoria de planetes i llunes del nostre sistema solar no són llocs adequats per a la vida, a causa de les altes quantitats de llum ultraviolada o radiació còsmica que reben, i la seva manca d’una atmosfera que suporti la vida. Però les evidències suggereixen que alguns planetes i llunes del sistema solar podrien tenir aigua, a vegades protegida per capes de gel. Si hi ha vida en aquests llocs remots, és probable que sigui vida microbiana, no grans animals o plantes. Per tant, estudiant les característiques dels tapissos microbians, els científics poden descobrir la biosignatura dels tapissos microbians. Una biosignatura és com una targeta d’identificació que suggereix la presència de vida. Per exemple, els gasos produïts pels microorganismes o les estructures que construeixen a les roques i a la sorra podrien ser les seves biosignatures. Utilitzant càmeres i instruments en les sondes espacials, les grans estructures produïdes pels microorganismes serien molt més fàcils de detectar que els mateixos microorganismes. Si observem la biosignatura dels tapissos microbians en un altre planeta utilitzant les càmeres d’una nau espacial, això indicarà que podrien viure-hi microorganismes.

Actualment, els científics estan buscant tapissos vius o fossilitzats en el nostre sistema solar. El planeta Mart i dues llunes del planeta Saturn (Tità i Encèlad) tenen característiques geològiques que són prometedores per a la formació de tapissos microbians. Mart té una superfície rocosa i eixuta, però recentment, la sonda orbital d’exploració de Mart de la NASA (la “Mars Reconnaissance Orbiter”) va proporcionar proves sòlides d’aigua líquida al planeta [4]. Les missions espacials Cassini-Huygens i Voyager que estudien Saturn i les seves llunes van trobar proves d’aigua i gel polar a Tità i Encèlad, probablement similars al gel i l’aigua trobats als casquets polars de la Terra [5]. Encara no hi ha proves de cap tipus de vida prosperant més enllà del nostre planeta, però l’estudi dels ecosistemes extrems a la Terra ens ajuda a predir les condicions necessàries per a la vida microbiana en altres llocs de l’Univers i a dissenyar estratègies i dispositius que ens ajudaran a trobar-la. Per exemple, hem de saber quins instruments enviar en missions espacials per detectar els gasos produïts pels microorganismes, i hem de saber com identificar els tapissos microbians a les fotografies.

COM S’ESTUDIEN ELS TAPISSOS MICROBIANS?

Els tapissos microbians es troben a tot arreu a la Terra, tant en entorns suaus com extrems, i tant en llocs accessibles com en llocs difícils d’arribar. Algunes dels tapissos microbians més famosos es troben al Parc Nacional Yellowstone, a Califòrnia (EUA), on creixen a prop de fonts termals i guèisers. No obstant això, es poden trobar tapissos en algunes costes poc profundes, on l’aigua de mar puja i baixa amb les marees. Per exemple, els tapissos poden créixer a les selves de manglars, als aiguamolls, als aiguamolls o als límits dels rius i llacs. De vegades, en altres llocs on l’aigua no es neteja regularment, poden créixer petites catifes o fragments de biofilm, com ara en banys d’ocells, fonts o aquaris (Figures 3A–H). La recerca actual sobre tapissos microbians es realitza mitjançant viatges de camp i expedicions que investiguen la capacitat dels tapissos i microorganismes per sobreviure en diversos ecosistemes, sota diverses condicions ambientals. Aquesta informació ajuda els científics a entendre el paper dels tapissos en els ecosistemes i els límits de llum solar, aigua, temperatura i altres condicions en què aquests microorganismes poden funcionar. A més d’estudiar els tapissos als seus llocs naturals, peces d’aquests es transporten a laboratoris, on es poden realitzar experiments a llarg termini i utilitzar diverses eines de laboratori per conèixer la vida dels microorganismes. Per exemple, podem fer créixer tapissos al laboratori i utilitzar instruments per mesurar quanta quantitat d’oxigen produeixen i quanta quantitat de diòxid de carboni consumeixen (Figures 3I–L).

CONCLUSIÓ

En conclusió, els tapissos microbians són sistemes complexos que ofereixen una excel·lent oportunitat per estudiar la diversitat microbiana, l’ecologia i l’evolució. Els tapissos es troben a tot el món en molts tipus d’ecosistemes i venen en una gran varietat de formes i mides. Igual que els propis tapissos, els científics interessats a estudiar-los es poden trobar arreu del món. Coneixes algun lloc, o has visitat algun lloc on hi podrien créixer?

NOTES A PEU DE PÀGINA

1 Si vols endinsar-te més en els tapissos microbians, mira aquest vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=VpCkgvb41Ag

Figura 3: Algues i biofilms semblants a tapissos creixent en llocs familiars, com (A) una banyera per a ocells, (B) una canalització de carrer, (C) una fusta exterior del sostre, (D) el fons d’un aquari, (E) un recollidor d’aigua d’un desguàs de sostre, (F) les aigües d’un estuari i (G) una fusta trobada sota un cobert. (H) Algues flotants en una zona de muntanya del riu Elkhorn, Califòrnia. (I) Una vista de l’àrea de recollida del tapis microbià. (J) Mostrejant tapissos microbians. (K) Transportant tapissos des del lloc de camp. (L) Tapissos incubant-se a un hivernacle al Centre de Recerca Ames de la NASA.

GLOSSARI

BIOFILM

Una capa de microorganismes que estan enganxats entre ells i enganxats a (o flotant sobre) una superfície.

TAPIS MICROBIÀ

Una gran estructura construïda per microorganismes, que creix a la part superior dels sediments. Normalment està composta per grans de sòl, minerals, nutrients i microbis.

ECOSISTEMA

Una comunitat d’organismes que viuen en una certa àrea, i els components no vius del seu entorn (temps, paisatges).

REGISTRE FÒSSIL

La història de la vida a la Terra, documentada pels fòssils, restes o empremtes d’organismes que van viure fa molts anys.

BIOSIGNATURA

Qualsevol característica, molècula, substància o característica que suggereixi fortament proves de vida.

AGRAÏMENTS

Aquest treball ha estat subvencionat pel Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) mitjançant la beca CF-2019-848287. El mostreig a la Península de Yucatán va ser recolzat pel Programa de Suport a Projectes d’Investigació i Innovació Tecnològica (PAPIIT-UNAM) IN216219. En Santiago agraeix la beca de doctorat de CONACYT (beca 570049-2017–2020). En SIRJ reconeix el suport de la beca CONACYT 377887. Moltes gràcies a Mike Kubo i Sanjoy Som pel suport durant el programa Young Scientist del Blue Marble Space Institute of Science. Moltes gràcies als doctors Claudia Teutli i Jorge Herrera per fer possible el mostreig a Yucatán. Gràcies a la Verònica i en Bart per l’hospitalitat a Santa Clara. Estem agraïts a l’Anabel Suárez-Guevara per l’elaboració de les figures. Es reconeixen amb agraïment els comentaris valuosos dels editors Rémy Beugnon i Susan Debad.

REFERÈNCIES

[1] Yanez-Montalvo A., Águila Salgado B., Gómez-Acata E., Beltrán Y., Valdespino-Castillo P., Centeno C., et al. 2019. Microbialites: what on earth? Front. Young Minds. 7:112. doi: 10.3389/frym.2019.00112

[2] Seckbach J., and Oren A. 2010. Microbial Mats: Modern and Ancient Microorganisms in Stratified Systems. Amsterdam: Springer. doi: 10.1007/978-90-481-3799-2

[3] Hoehler T. M., Bebout B. M., and Des Marais D. J. 2001. The role of microbial mats in the production of reduced gases on the early Earth. Nature. 412:324–7. doi: 10.1038/35085554

[4] Nazari-Sharabian M., Aghababaei M., Karakouzian M., and Karami M. 2020. Water on Mars-A literature review. Galaxies. 8:40. doi: 10.3390/galaxies8020040

[5] Mitri G., Postberg F., Soderblom J. M., Wurz P., Tortora P., Abel, B., et al. 2018. Explorer of enceladus and titan (E2 T): investigating ocean worlds’ evolution and habitability in the solar system. Planet. Space Sci. 155:73–90. doi: 10.1016/j.pss.2017.11.001

**EDITOR: **Rémy Beugnon

**SCIENCE MENTORS: **Ruchira Sharma

**CITATION: **Cadena S, Maza-Márquez P, Ramírez Jiménez SI, Grim SL, García- Maldonado JQ, Prufert-Bebout L and Bebout BM (2022) Microbial Mats: Primitive Structures That Could Help us Find Life on Other Worlds. Front. Young Minds 10:654148. doi: 10.3389/frym.2022.654148

**CONFLICT OF INTEREST: **The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.

TRADUCTORA

**SANDRA VARGA **

La Sandra és Professora Associada a la Universitat de Lincoln, el Regne Unit. A part d’impartir classes en biologia, fa recerca investigant les relacions entre les plantes i el sòl per entendre com el canvi climàtic està afectant aquestes interaccions, i investiga com els microbis del sòl poden contribuir a la producció de plantes d’una manera més sostenible.

FUNDING (TRANSLATION)

The team Translating Soil Biodiversity acknowledges support of the German Centre for integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig funded by the German Research Foundation (DFG FZT 118, 202548816).

---