02) Mis cómics: Microorganismos terrestres que vuelan… hasta la estratosfera

Existen microorganismos que pueden volar… Bueno, no es del todo correcto que puedan volar por si solos pero sí que están presentes en el aire a distintas alturas (incluso en la Estratosfera, a unos 20.000 metros de altitud). De hecho, esto no es nuevo ya que Louise Pasteur para refutar la teoría de la Generación Espontánea se subía a lo alto de las montañas para encontrar microorganismos en la atmósfera… ¡y los encontraba! (según cuentan, subió al monte Poutet en los Alpes con recipientes llenos de caldo de cultivo esterilizados para abrirlos allí y demostrar que si crecían microorganismos, era del aire de la montaña).

Si bien esto que digo no es nuevo, si es una de las principales ideas que soportan la teoría de la Panspermia, es decir, que la vida en nuestro planeta pudo venir de fuera (de fuera de nuestro planeta se entiende). De hecho, es muy importante que los microorganismos puedan resistir las condiciones atmosféricas y de radiación ya que así, podrían viajar por la atmósfera o estar presente en algún asteroide o meteorito que haya chocado con la Tierra, y así empezar la vida. Aunque esto es otra historia…

El caso es que hay algunos estudios científicos que han conseguido cultivar en el laboratorio microorganismos de muestras que han estado a distintas alturas. El caso del que hoy os comento son las recogidas por el avión Lockheed Martin ER-2, un avión militar preparado para volar a alturas estratosféricas de 20.000 metros, y que la NASA y su ya extinto Cosmic Dust Lab tenían para sus estudios de la composición atmosférica.

¿Qué tipo de microorganismos “viven” en la Estratosfera?
Pues los que son capaces de formar esporas, unas estructuras que algunos microorganismos pueden desarrollar para protegerse de las condiciones adversas como las atmosféricas (con una alta radiación ultravioleta, que afecta al material genético). Según este estudio, han encontrado entre 4 hongos y 70 bacterias formadoras de colonias (UFC´s). Para el caso de los hongos, coinciden con el género Penicilium y las bacterias Bacillus luciferensis, un tipo de microorganismo que fue encontrado por primera vez en suelos de origen volcánico de las Islas Candelaria, de archipiélago South Sandwich (Antártida).

¿De dónde vienen estos microorganismos?
Pues según los investigadores, hay varias formas por las que los microorganismos puedan llegar a la estratosfera, entre los que destacan las tormentas de arena, erupciones volcánicas (como parece ser el caso del Bacillus luciferensis) y algunas actividades antropogénicas como las pruebas de bombas atómicas y los despegues de aeronaves, que como podemos ver en esta web, han sido unos cuantos.

Las fuentes:

Niall A. Logan, Liesbeth Lebbe, An Verhelst, Johan Goris, Gillian Forsyth, Marina Rodriguez-Diaz, Marc Heyndrickx‹and Paul De Vos. (2002). Bacillus luciferensis sp. nov., from volcanic soil on Candlemas Island, South Sandwich archipelago. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (2002), 52, 1985–1989 DOI: 10.1099/ijs.0.02282-0 

Griffin D.W. (2004). Terrestrial microorganisms at an altitude of 20,000 m in Earth´s atmosphere. Aerobiologia, 20: 135-140. 

01) Divulgación: Nanotecnología y agricultura

La nanotecnología o “el arte de lo pequeño” utiliza y diseña materiales a escala atómica (normalmente entre 1 y 100nm, o lo equivalente en metros: entre 0,000000001 y 0,0000001 metros) que en la actualidad tiene enorme repercusión en campos tan variados como la electrónica, la medicina, la farmacia, la ingeniería e incluso la agricultura. De hecho, se ha acuñado el término “nanobiotecnología”, que combina numerosas disciplinas científicas tan variadas como la biotecnología, la nanotecnología, el procesamiento químico, la ciencia de los materiales y la ingeniería de sistemas.
Para el caso de la agricultura, la nanotecnología puede aplicarse (y ya se está haciendo) para el tratamiento de algunas enfermedades de las plantas, para la detección precoz de los patógenos que las producen, para la mejora de la asimilación de nutrientes esenciales por las plantas e incluso la construcción de nanobiosensores importantes en determinados procesos biológicos. Su uso puede incrementar la eficacia de los pesticidas e insecticidas comerciales reduciendo su cantidad de aplicación al suelo a unas dosis significativamente menores requeridas para los cultivos con la mejora medioambiental que eso implica.
Como sabemos, la agricultura tiene una gran importancia ya que es la base del sustento de los más de 7000 millones de habitantes de nuestro planeta (el 50% viven en Asia). Los insectos, las plagas y las malas hierbas producen una gran cantidad de pérdidas anuales que algunos estudios estiman entre el 13 y el 14% de la producción total agrícola. Las estrategias tradicionales para reducir estas pérdidas se basan en estrategias como la rotación de los cultivos, el uso de variedades de plantas sanas y resistentes, cambios en los periodos de siembra y el manejo integrado de las plagas, que implica un control biológico de las mismas. Si bien son efectivas a escala pequeña, con la industrialización de la agricultura estas técnicas han sido desechadas con el tiempo por otras más efectivas y al mismo tiempo, más agresivas con el medio ambiente. Se han utilizado compuestos químicos sintéticos para controlar y reducir estas pérdidas. De hecho, la gran revolución vino con el descubrimiento durante la 2ª Guerra Mundial del DDT, un compuesto químico que en pequeñas dosis se mostraba altamente efectivo contra los insectos. Desde entonces se extendió su uso (y abuso), sobre todo en la época de “la revolución verde” y esto desarrolló la investigación y síntesis de una gran cantidad de compuestos químicos (algunos orgánicos como los órganofosforados y otros con metales pesados como mercurio, plomo, arsénico y cobre) con igual o incluso mayor potencial insecticida que el DDT. Uno de los problemas del empleo masivo de estas sustancias es que también eliminaron junto a los insectos y plagas, a sus enemigos naturales. Además, su abuso durante muchos años ha generado una presión selectiva que en la actualidad han generado muchas especies resistentes a los mismos. Algunos estudios hablan de 270 especies de malas hierbas resistentes a herbicidas, 150 patógenos de plantas resistentes a los fungicidas y entorno 500 especies de insectos resistentes a los pesticidas. Finalmente, a todo esto hay que sumarle que este tipo de sustancias producen graves problemas para la salud humana y para el medio ambiente… El control biológico es otra de las estrategias utilizadas para el control de plagas. Los enemigos naturales son la mejor baza para reducir y controlar a los insectos sin eliminarlos del todo. Se han ensayado muchos agentes biológicos siendo los más efectivos para el biocontrol las bacterias y los hongos. Un ejemplo de estos microorganismos son el Bacillus thurigensis que infesta el tracto digestivo de los insectos y de los hongos podemos citar a los del género Trichoderma.
Los métodos comentados anteriormente presentan algunas limitaciones debido a sus efectos medioambientales (los primeros) y a la baja eficacia (los segundos). De ahí que en los últimos años unido a su gran desarrollo, la nanotecnología empiece a ser un campo muy prometedor en la agricultura que ya está generando muy buenos resultados. Ya existen estudios que confirman que las nanopartículas metálicas son efectivas contra los patógenos de plantas, insectos y plagas. De hecho, las nanopartículas se pueden usar como nuevas formulaciones de pesticidas, insecticidas y de repelentes de insectos mediante técnicas de nanoemulsión o nanoencapsulación. Se han ensayado nanopartículas de sílice, de polientilen glicol, de plata, de aluminio, de óxido de cinc y de dióxido de titanio con resultados prometedores.
El futuro de la industria agrícola puede pasar por usar estos materiales como nanopesticidas, nanofungicidas y nanoherbicidas y algunas empresas ya los estás desarrollando. En definitiva, la aplicación de la nanotecnología a la agricultura es una alternativa más respetuosa con el medio ambiente para el caso concreto del control de insectos y plagas que los métodos químicos que tantos problemas medioambientales han generando. De hecho, cada vez salen más estudios que detectan este tipo de sustancias en lugares y organismos que nunca han estado expuestos como es el caso de los hielos de la Antártida. A pesar de todo esto, la nanotecnología también tiene sus detractores que apelan a nuestro espíritu crítico ya que argumentan que la nanotecnología no es una panacea como aparenta ser. Habrá que seguir investigando para poder responder a todas estas cuestiones…
 
La Fuente:
 Rai, M., & Ingle, A. (2012). Role of nanotechnology in agriculture with special reference to management of insect pests Applied Microbiology and Biotechnology, 94 (2), 287-293 DOI: 10.1007/s00253-012-3969-4

 

 

01) Mis cómics: Los Tomates del Espacio

Que la agricultura es la base de nuestra existencia es algo que muchas veces olvidamos y relativizamos. Su importancia es crucial ya que es la base de la alimentación de la población humana. Por eso no es de extrañar que en los estudios centrados en viajes tripulados al espacio, la agricultura sea el principal sistema a optimizar, sobre todo si son viajes de larga duración. En este aspecto, los científicos consideran que conseguir implantar un sistema agrícola bajo las condiciones ambientales de Marte (gravedad de 0,38g, atmósfera compuesta por un 95,3% de CO2, 2,7% de N2, 1,6% de Ar y solo 0,13% de O2, rangos de temperatura de -120º a 20ºC y un 40% menos radiación solar), es el principal reto de este tipo de estudios.

Para eso, una agricultura basada en el sistema suelo-planta es la que presenta más ventajas con respecto a los sistemas hidropónicos y aeropónicos (estudiamos en la MIR soviética por los años 90 del pasado siglo), sobre todo porque se pueden usar para muchas cosas tales como reciclar agua, producir comida, secuestrar carbono en la atmósfera del vehículo espacial (en forma de CO2), descomponer residuos orgánicos, e incluso producir  O2, de vital importancia para los viajes espaciales.

Se sabe que a la hora de establecer un invernadero para cultivos a largo plazo de plantas de interés alimentario, la presión atmosférica, la temperatura, la composición y la convección de la atmósfera son variables factibles de controlar, con la excepción de la gravedad. Este factor puede ser uno de los más importantes que condiciona cualquier establecimiento de agricultura en el espacio. ¿Cómo puede afectar la baja gravedad a las propiedades físicas de un suelo?, ¿y a los procesos biogeoquímicos que se dan en él?, ¿cómo puede afectar al flujo de agua por el suelo, el cual es imprescindible para el transporte de nutrientes y de oxígeno a la rizosfera de la planta?
En estudios de cultivos de tomate, de momento sabemos que la gravedad marciana (0,38g) reduce la lixiviación de agua y consecuentemente, de nutrientes en el suelo del cultivo entorno al 90% con respecto a las condiciones de la Tierra. Se mejora la capacidad de retención hídrica, conservando más tiempo la humedad de los mismos y la concentración de nutrientes que favorecen el metabolismo de determinados grupos funcionales de microorganismos rizosféricos, llegando a aumentar su biomasa (densidad) entre un 5 y 10% con respecto a las condiciones terrícolas. Menos consumo de agua implica también un uso más preciso de fertilización con la consiguiente reducción de la misma. Se ha visto que al utilizar fertilización nitrogenada, se favorecen las emisiones de determinados gases procedentes de la desnitrificación (NO: +60%, N2O: +200% y N2: +1200%) y solo un 10% de  CO2. Aun así, el consumo de este tipo de fertilizantes se reduce enormemente con respecto a las tasas usadas en la agricultura terrestre y aumenta su eficiencia al producirse una disminución muy importante en su pérdida por lixiviación.
Aunque estos datos son prometedores para producir tomates en Marte y nos indican que aparentemente algunas propiedades físicas de los suelos no se ven afectadas, así como el desarrollo de algunos procesos biogequímicos fundamentales para el cultivo de plantas (como es el caso del ciclo del nitrógeno), todavía hay que comprobar muchos aspectos. Por poner algunos ejemplos, es importante conocer como afecta la baja gravedad al proceso de capilaridad del suelo, al crecimiento de la planta en sí, a los ciclos de otros nutrientes esenciales para las plantas (fósforo, azufre, etc.). También a la actividad de los microorganismos sometidos a efectos prolongados de baja gravedad (incluidos patógenos tanto para humanos como para plantas) o si se puede usar suelo marciano para este tipo de agricultura, siendo este último un aspecto crucial. Y es que llevar suelo terrestre al espacio implica un gasto considerable en combustible y la posibilidad de que nosotros seamos causantes de la Panspermia.
Aún así, la agricultura del espacio es cada vez más factible…

La fuente:

Maggi, F., & Pallud, C. (2010). Martian base agriculture: The effect of low gravity on water flow, nutrient cycles, and microbial biomass dynamics. Advances in Space Research, 46 (10), 1257-1265