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Articulo de referencia

Geobiología

Las coloridas esteras microbianas de Grand Prismatic Spring en el Parque Nacional de Yellowstone , EE. UU. Estas esteras anaranjadas están compuestas de Chloroflexia , cianobact...

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Las coloridas esteras microbianas de Grand Prismatic Spring en el Parque Nacional de Yellowstone , EE. UU. Estas esteras anaranjadas están compuestas de Chloroflexia , cianobacterias y otros organismos que prosperan en aguas a 70 °C. Los geobiólogos suelen estudiar entornos extremos como este porque albergan organismos extremófilos . Se ha planteado la hipótesis de que estos entornos podrían ser representativos de la Tierra primitiva. [ 1 ]

La geobiología es un campo de investigación científica que explora las interacciones entre la Tierra física y la biosfera . Es un campo relativamente joven y sus límites son fluidos. Existe una considerable superposición con los campos de la ecología , la biología evolutiva , la microbiología , la paleontología y, particularmente, la ciencia del suelo y la biogeoquímica . La geobiología aplica los principios y métodos de la biología, la geología y la ciencia del suelo al estudio de la historia antigua de la coevolución de la vida y la Tierra, así como el papel de la vida en el mundo moderno. [ 2 ] Los estudios geobiológicos tienden a centrarse en los microorganismos y en el papel que desempeña la vida en la alteración del entorno químico y físico de la pedosfera , que existe en la intersección de la litosfera , la atmósfera , la hidrosfera y/o la criosfera . Se diferencia de la biogeoquímica en que el enfoque está en los procesos y organismos a lo largo del espacio y el tiempo, en lugar de en los ciclos químicos globales.

Aunque los términos biogeología y geobiología se usan a menudo indistintamente, tienen definiciones ligeramente diferentes. La biogeología se refiere al campo de la ciencia que estudia los aspectos biológicos de la geología, o la interacción entre la biosfera y la litosfera. En cambio, el alcance de la geobiología es mucho más amplio. El ámbito de la geobiología también ha evolucionado y se ha expandido con el tiempo, y ahora comprende disciplinas secundarias como la geomicrobiología , la geoecología, la geobiología molecular, la biogeoquímica , la paleobiología , la geobiología aplicada, etc. [ 3 ]

La investigación geobiológica sintetiza el registro geológico con los estudios biológicos modernos. Aborda tanto los procesos —cómo los organismos afectan a la Tierra y viceversa— como la historia —cómo la Tierra y la vida han cambiado conjuntamente—. Es un campo integral que busca comprender las interacciones entre el sistema vivo y el entorno geológico y geoquímico en el que evolucionó. [ 4 ] Gran parte de la investigación se basa en la búsqueda de una comprensión fundamental, pero la geobiología también puede aplicarse, como en el caso de los microbios que limpian los derrames de petróleo . [ 5 ]

La geobiología emplea la biología molecular , la microbiología ambiental , la geoquímica orgánica y el registro geológico para investigar la interconexión evolutiva entre la vida y la Tierra. Intenta comprender cómo ha cambiado la Tierra desde el origen de la vida y cómo pudo haber sido a lo largo del tiempo. Algunas definiciones de geobiología incluso amplían los límites de este marco temporal, abarcando la comprensión del origen de la vida y el papel que los humanos han desempeñado y seguirán desempeñando en la configuración de la Tierra en el Antropoceno . [ 5 ]

Historia

Una estera microbiana en White Creek, Parque Nacional de Yellowstone , EE. UU. Nótese la microestructura cónica de las comunidades bacterianas. Se hipotetiza que estas son un análogo vivo de antiguos estromatolitos fósiles . Cada cono tiene una burbuja de gas oxígeno en la parte superior, producto de la fotosíntesis oxigénica de las cianobacterias en las esteras microbianas multiespecíficas .

El término geobiología fue acuñado por Lourens Baas Becking en 1934. En sus propias palabras, la geobiología "es un intento de describir la relación entre los organismos y la Tierra", ya que "el organismo es parte de la Tierra y su destino está entrelazado con el de ella". La definición de geobiología de Baas Becking nació del deseo de unificar la biología ambiental con la biología de laboratorio. Su práctica se alinea estrechamente con la ecología microbiana ambiental moderna , aunque su definición sigue siendo aplicable a toda la geobiología. En su libro Geobiología, Baas Becking afirmó que no tenía intención de inventar un nuevo campo de estudio. [ 6 ] La comprensión de la geobiología por parte de Baas Becking estuvo fuertemente influenciada por sus predecesores, entre ellos Martinus Beyerinck , su maestro de la Escuela Holandesa de Microbiología. Otros fueron Vladimir Vernadsky , quien argumentó que la vida modifica el entorno superficial de la Tierra en La Biosfera, su libro de 1926, [ 7 ] y Sergei Vinogradsky, famoso por descubrir las bacterias litotróficas. [ 8 ]

Baas Becking comenzó a escribir su libro Geobiología a finales del verano de 1944, cuando era prisionero de la Kriegsmarine alemana en Utrecht. Con acceso limitado a recursos y literatura científica, redactó el manuscrito en un cuaderno, con una letra apenas legible. Su manuscrito, que terminó en tan solo siete semanas, estuvo fuertemente inspirado en las obras de sus predecesores, entre ellos Lawrence Henderson , Victor Moritz Goldschmidt , Alfred J. Lotka , Vladimir Vernadsky y Martinus Beyarink . En su libro, introdujo el concepto de disipación, donde expresó su frustración por el trato desastroso que el ser humano da a la Tierra. A pesar de estar inacabado y presentar importantes lagunas, Geobiología de Baas Becking sigue siendo una de las obras más fundamentales e influyentes en el campo de la geobiología. [ 9 ]

El primer laboratorio dedicado oficialmente al estudio de la geobiología fue el Laboratorio Geobiológico Baas Becking en Australia, que abrió sus puertas en 1965. [ 6 ] Sin embargo, pasaron otros 40 años aproximadamente para que la geobiología se convirtiera en una disciplina científica firmemente arraigada, gracias en parte a los avances en geoquímica y genética que permitieron a los científicos comenzar a sintetizar el estudio de la vida y el planeta.

En la década de 1930, Alfred Treibs descubrió porfirinas similares a la clorofila en el petróleo , confirmando su origen biológico, [ 10 ] sentando así las bases de la geoquímica orgánica y estableciendo la noción de biomarcadores , un aspecto fundamental de la geobiología. Sin embargo, transcurrieron varias décadas antes de que se dispusiera de las herramientas necesarias para comenzar a buscar seriamente huellas químicas de vida en las rocas. En las décadas de 1970 y 1980, científicos como Geoffrey Eglington y Roger Summons comenzaron a encontrar biomarcadores lipídicos en el registro geológico utilizando equipos como GC-MS . [ 11 ]

En el ámbito biológico, en 1977, Carl Woese y George Fox publicaron una filogenia de la vida en la Tierra, que incluía un nuevo dominio: las arqueas . [ 12 ] Y en la década de 1990, se hicieron posibles los estudios de genética y genómica , ampliando el alcance de la investigación de la interacción entre la vida y el planeta.

Hoy en día, la geobiología cuenta con sus propias revistas, como Geobiology , fundada en 2003, [ 13 ] y Biogeosciences , fundada en 2004, [ 14 ] así como reconocimiento en importantes congresos científicos. Tuvo su propia Conferencia Gordon de Investigación en 2011, [ 15 ] se han publicado varios libros de texto de geobiología, [ 5 ] [ 16 ] y muchas universidades de todo el mundo ofrecen programas de grado en geobiología (véase Enlaces externos).

Principales eventos geobiológicos

La escala de tiempo geológico superpuesta con los principales eventos y sucesos geobiológicos. La oxigenación de la atmósfera se muestra en azul a partir de los 2.4 Ga, aunque la datación exacta del Gran Evento de Oxigenación es objeto de debate. [ 17 ]

Quizás el evento geobiológico más trascendental sea la introducción de oxígeno en la atmósfera por bacterias fotosintéticas . Esta oxigenación de la atmósfera primordial de la Tierra (la llamada catástrofe del oxígeno o Gran Evento de Oxigenación ) y la oxigenación de los océanos alteraron los ciclos biogeoquímicos superficiales y los tipos de organismos que han sido seleccionados evolutivamente.

Un cambio importante posterior fue el surgimiento de la multicelularidad . La presencia de oxígeno permitió la evolución de los eucariotas y, más tarde, de la vida multicelular.

Entre los eventos geobiológicos más antropocéntricos se incluyen el origen de los animales y el establecimiento de la vida vegetal terrestre, que afectaron la erosión continental y el ciclo de nutrientes , y probablemente cambiaron los tipos de ríos observados, permitiendo la canalización de lo que antes eran predominantemente ríos trenzados.

Entre los eventos geobiológicos más sutiles se incluyen el papel de las termitas en la remoción de sedimentos, los arrecifes de coral en la deposición de carbonato de calcio y la ruptura de olas, las esponjas en la absorción de sílice marina disuelta, el papel de los dinosaurios en la ruptura de diques fluviales y la promoción de inundaciones, y el papel del estiércol de grandes mamíferos en la distribución de nutrientes. [ 18 ] [ 19 ]

S.G. Neruchev (1927-2012), geólogo petrolero, describió diecisiete eventos geobiológicos importantes en su artículo de 1999, titulado "Periodicidad de los eventos geológicos y biológicos globales en el Fanerozoico". Describió estos eventos cronológicamente, basándose en la ubicación de las lutitas negras (ricas en materia orgánica, radiactivas, de cobre y bituminosas). [ 20 ]

Conceptos importantes

La geobiología se fundamenta en algunos conceptos clave que unifican el estudio de la Tierra y la vida. Si bien existen muchos aspectos del estudio de las interacciones pasadas y presentes entre la vida y la Tierra que aún no están claros, varias ideas y conceptos importantes proporcionan una base de conocimiento en geobiología que sirve como plataforma para plantear preguntas de investigación, incluyendo la evolución de la vida y el planeta y la coevolución de ambos, la genética (tanto desde una perspectiva histórica como funcional), la diversidad metabólica de toda la vida, la preservación sedimentológica de la vida pasada y el origen de la vida.

Coevolución de la vida y la Tierra

Un concepto fundamental en geobiología es que la vida cambia con el tiempo a través de la evolución . La teoría de la evolución postula que las poblaciones únicas de organismos o especies surgieron de modificaciones genéticas en la población ancestral, las cuales se transmitieron por deriva genética y selección natural . [ 21 ]

Junto con la evolución biológica estándar, la vida y los planetas coevolucionan. Dado que las mejores adaptaciones son aquellas que se ajustan al nicho ecológico en el que vive el organismo, las características físicas y químicas del entorno impulsan la evolución de la vida por selección natural, pero también puede ocurrir lo contrario: con cada avance evolutivo, el entorno cambia.

Un ejemplo clásico de coevolución es la evolución de las cianobacterias fotosintéticas productoras de oxígeno que oxigenaron la atmósfera arcaica de la Tierra . Los ancestros de las cianobacterias comenzaron a usar el agua como fuente de electrones para aprovechar la energía del sol y expulsar oxígeno antes o durante el Paleoproterozoico temprano . Durante este tiempo, hace aproximadamente 2400 a 2100 millones de años, [ 22 ] los datos geológicos sugieren que el oxígeno atmosférico comenzó a aumentar en lo que se denomina el Gran Evento de Oxigenación (GEO) . [ 23 ] [ 24 ] No está claro cuánto tiempo llevaban las cianobacterias realizando fotosíntesis oxigénica antes del GEO. Algunas evidencias sugieren que hubo "amortiguadores" o sumideros geoquímicos que suprimieron el aumento de oxígeno, como el vulcanismo [ 25 ], aunque las cianobacterias podrían haber estado presentes produciéndolo antes del GEO. [ 26 ] Otras evidencias indican que el aumento de la fotosíntesis oxigénica coincidió con el GEO. [ 27 ]

Formación de hierro bandeado (BIF), Formación Hammersley , Australia Occidental

La presencia de oxígeno en la Tierra desde su primera producción por cianobacterias hasta el Gran Evento de Oxidación (GEO) y hasta la actualidad ha impactado drásticamente el curso de la evolución de la vida y del planeta. [ 23 ] Puede haber desencadenado la formación de minerales oxidados [ 28 ] y la desaparición de minerales oxidables como la pirita de antiguos lechos de arroyos. [ 29 ] La presencia de formaciones de hierro bandeado (BIF) se ha interpretado como una pista para el aumento del oxígeno ya que pequeñas cantidades de oxígeno podrían haber reaccionado con hierro ferroso reducido (Fe(II)) en los océanos, resultando en la deposición de sedimentos que contienen óxido de Fe(III) en lugares como Australia Occidental. [ 30 ] Sin embargo, cualquier ambiente oxidante, incluido el proporcionado por microbios como el fotoautótrofo oxidante de hierro Rhodopseudomonas palustris , [ 31 ] puede desencadenar la formación de óxido de hierro y por lo tanto la deposición de BIF. [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] Otros mecanismos incluyen la oxidación por luz UV . [ 35 ] De hecho, las BIF aparecen en amplias franjas de la historia de la Tierra y pueden no correlacionarse con un solo evento. [ 34 ]

Se ha planteado la hipótesis de que la pirita fue la primera fuente de energía que allanó el camino para la formación de la vida. [ 36 ] En la Tierra primitiva, e incluso ahora, el fosfato se consideraba generalmente un nutriente limitante para la vida. La pirita, al tener carga positiva, puede concentrar fosfato aniónico y moléculas orgánicas fosforiladas. La energía libre obtenida de la biomineralización anaeróbica de la pirita por quimioautótrofos es suficiente para sustentar la vida. [ 37 ] [ 38 ]

Algunos científicos también han propuesto que los minerales arcillosos facilitaron el origen de la vida. La arcilla y los minerales arcillosos, como la caolinita, la montmorillonita y la beidellita, se han distribuido ampliamente en el tiempo y el espacio geológicos. La interacción de los sitios activos en las superficies de los minerales arcillosos con moléculas orgánicas simples los concentró, además de proteger y preservar estas moléculas. Se supone que este fenómeno no se limita solo a la Tierra, sino que también se observa en otros planetas, cometas, meteoritos y asteroides. [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]

El inicio de la fotosíntesis oxigénica inevitablemente generó una amplia gama de reductores y oxidantes, lo que amplió la diversidad metabólica en los microorganismos, en particular el ciclo del azufre. Las condiciones anóxicas en el océano primitivo limitaron el sulfato debido a la formación y precipitación de pirita. Tras el Gran Evento de Oxidación (GOE), la meteorización oxidativa de minerales sulfurados como la pirita aumentó rápidamente. Esto resultó en un mayor transporte de sulfato en el océano, lo que facilitó la evolución de otros metabolismos del azufre, como la oxidación y reducción del tiosulfato a través de la vía SOX. [ 42 ]

La disponibilidad de otros oligoelementos como Ni, Co, Cu, Fe, Cr, etc., también ha influido en la formación temprana de la vida en la Tierra. [ 43 ]

Otros cambios correlacionados con el aumento del oxígeno incluyen la aparición de paleosuelos antiguos de color rojo óxido , [ 23 ] diferentes fraccionamientos isotópicos de elementos como el azufre , [ 44 ] y glaciaciones globales y eventos de Tierra Bola de Nieve , [ 45 ] quizás causados ​​por la oxidación del metano por el oxígeno, sin mencionar una renovación de los tipos de organismos y metabolismos en la Tierra. Mientras que los organismos anteriores al aumento del oxígeno probablemente fueron envenenados por el gas oxígeno como muchos anaerobios lo son hoy, [ 46 ] aquellos que desarrollaron formas de aprovechar el poder de aceptación de electrones y de entrega de energía del oxígeno estaban preparados para prosperar y colonizar el ambiente aeróbico.

Estromatolitos modernos y vivos en Shark Bay, Australia. Shark Bay es uno de los pocos lugares del mundo donde se pueden observar estromatolitos hoy en día, aunque probablemente eran comunes en los antiguos mares poco profundos antes del surgimiento de los depredadores metazoos .

La Tierra ha cambiado

La Tierra no ha permanecido igual desde su formación planetaria hace 4.500 millones de años. [ 47 ] [ 48 ] Los continentes se han formado, fragmentado y colisionado, ofreciendo nuevas oportunidades y barreras para la dispersión de la vida. El estado redox de la atmósfera y los océanos ha cambiado, como lo indican los datos isotópicos. Las cantidades fluctuantes de compuestos inorgánicos como el dióxido de carbono , el nitrógeno , el metano y el oxígeno han sido impulsadas por la evolución de nuevos metabolismos biológicos para producir estos químicos y han impulsado la evolución de nuevos metabolismos para utilizarlos. La Tierra adquirió un campo magnético hace unos 3.400 millones de años [ 49 ] que ha experimentado una serie de inversiones geomagnéticas del orden de millones de años. [ 50 ] La temperatura de la superficie está en constante fluctuación, descendiendo en glaciaciones y eventos de Tierra Bola de Nieve debido a la retroalimentación hielo-albedo , [ 51 ] ascendiendo y derritiéndose debido a la desgasificación volcánica, y estabilizándose debido a la retroalimentación de la meteorización de silicatos . [ 52 ]

Y la Tierra no es la única que cambió: la luminosidad del sol ha aumentado con el tiempo. Dado que las rocas registran una historia de temperaturas relativamente constantes desde los inicios de la Tierra, debió haber más gases de efecto invernadero para mantener las temperaturas elevadas en el Arcaico, cuando el sol era más joven y menos brillante. [ 53 ] Todas estas diferencias importantes en el entorno de la Tierra impusieron restricciones muy distintas a la evolución de la vida a lo largo de la historia de nuestro planeta. Además, siempre se producen cambios más sutiles en el hábitat de la vida, que dan forma a los organismos y huellas que observamos hoy y en el registro geológico.

Los genes codifican la función y la historia geobiológicas.

El código genético es clave para observar la historia de la evolución y comprender las capacidades de los organismos. Los genes son la unidad básica de la herencia y la función y, como tales, son la unidad básica de la evolución y el medio que subyace al metabolismo . [ 54 ]

La filogenia predice la historia evolutiva.

Un árbol filogenético de los seres vivos, basado en datos de ARNr y propuesto por Carl Woese , que muestra la separación de bacterias , arqueas y eucariotas , y que vincula las tres ramas de organismos vivos con el LUCA (el tronco negro en la parte inferior del árbol).

La filogenia toma secuencias genéticas de organismos vivos y las compara entre sí para revelar relaciones evolutivas, de forma similar a como un árbol genealógico revela cómo los individuos están conectados con sus primos lejanos. [ 55 ] Nos permite descifrar las relaciones modernas e inferir cómo ocurrió la evolución en el pasado.

La filogenia puede dar una idea de la historia cuando se combina con un poco más de información. Cada diferencia en el ADN indica divergencia entre una especie y otra. [ 55 ] Esta divergencia, ya sea por deriva genética o selección natural, es representativa de un lapso de tiempo. [ 55 ] Comparar secuencias de ADN por sí solo da un registro de la historia de la evolución con una medida arbitraria de distancia filogenética que "data" al último ancestro común. Sin embargo, si se dispone de información sobre la tasa de mutación genética o existen marcadores geológicos para calibrar la divergencia evolutiva (es decir, fósiles ), tenemos una línea de tiempo de la evolución. [ 56 ] A partir de ahí, con una idea de otros cambios contemporáneos en la vida y el medio ambiente, podemos comenzar a especular por qué se seleccionaron ciertas trayectorias evolutivas. [ 57 ]

Los genes codifican el metabolismo

La biología molecular permite a los científicos comprender la función de un gen mediante el cultivo microbiano y la mutagénesis . La búsqueda de genes similares en otros organismos y en datos metagenómicos y metatranscriptómicos nos permite comprender qué procesos podrían ser relevantes e importantes en un ecosistema determinado, lo que nos brinda información sobre los ciclos biogeoquímicos de ese entorno.

Por ejemplo, un problema intrigante en geobiología es el papel de los organismos en el ciclo global del metano . La genética ha revelado que el gen de la metano monooxigenasa ( pmo ) se utiliza para oxidar el metano y está presente en todos los oxidadores de metano aerobios, o metanótrofos . [ 58 ] La presencia de secuencias de ADN del gen pmo en el ambiente puede utilizarse como un indicador de metanotrofia. [ 59 ] [ 60 ] Una herramienta más generalizable es el gen del ARN ribosomal 16S , que se encuentra en bacterias y arqueas. Este gen evoluciona muy lentamente con el tiempo y no suele transferirse horizontalmente , por lo que se utiliza a menudo para distinguir diferentes unidades taxonómicas de organismos en el ambiente. [ 12 ] [ 61 ] De esta manera, los genes son pistas del metabolismo y la identidad de los organismos. La genética nos permite preguntarnos "¿quién está ahí?" y "¿qué están haciendo?". Este enfoque se llama metagenómica . [ 61 ]

Estromatolitos de 3.400 millones de años del Grupo Warrawoona , Australia Occidental . Si bien el origen de los estromatolitos precámbricos es un tema muy debatido en geobiología, [ 62 ] se plantea la hipótesis de que los estromatolitos de Warrawoona se formaron por antiguas comunidades de microbios. [ 63 ]

La diversidad metabólica influye en el medio ambiente.

La vida microbiana en la Tierra evolucionó hace unos 3.500 millones de años. [ 64 ] Dado que la Tierra tiene unos 4.500 millones de años, los microbios han ocupado aproximadamente el 87% de su historia. [ 65 ] Desde su origen, los microbios han establecido, mantenido y mejorado todos los ciclos biogeoquímicos principales durante miles de millones de años. Por lo tanto, no es exagerado afirmar que los microbios son la base de la biosfera. [ 66 ] [ 67 ]

La vida aprovecha las reacciones químicas para generar energía, realizar la biosíntesis y eliminar desechos. [ 68 ] Diferentes organismos utilizan enfoques metabólicos muy diferentes para satisfacer estas necesidades básicas. [ 69 ] Mientras que los animales como nosotros estamos limitados a la respiración aeróbica , otros organismos pueden "respirar" sulfato (SO42-), nitrato (NO3-), hierro férrico (Fe(III)) y uranio (U(VI)), o vivir de la energía de la fermentación . [ 69 ] Algunos organismos, como las plantas, son autótrofos , lo que significa que pueden fijar dióxido de carbono para la biosíntesis. Las plantas son fotoautótrofas , ya que utilizan la energía de la luz para fijar carbono. Los microorganismos emplean fotoautotrofía oxigénica y anoxigénica, así como quimioautotrofía . Las comunidades microbianas pueden coordinarse en metabolismos sintróficos para cambiar la cinética de reacción a su favor. Muchos organismos pueden realizar múltiples metabolismos para lograr el mismo objetivo final; estos se llaman mixótrofos . [ 69 ]

El metabolismo biótico está directamente ligado al ciclo global de elementos y compuestos en la Tierra. El entorno geoquímico alimenta la vida, que a su vez produce diferentes moléculas que se incorporan al medio externo. (Esto es directamente relevante para la biogeoquímica ). Además, las reacciones bioquímicas son catalizadas por enzimas que a veces prefieren un isótopo sobre otros. Por ejemplo, la fotosíntesis oxigénica es catalizada por la RuBisCO , que prefiere el carbono-12 sobre el carbono-13, lo que resulta en el fraccionamiento de isótopos de carbono en el registro geológico. [ 70 ]

Ooides "gigantes" de la Formación Johnnie en el área del Valle de la Muerte, California, EE. UU. Los ooides son granos de carbonato de calcio casi esferoidales que se acumulan alrededor de un núcleo central y pueden sedimentarse para formar oolita como esta. Los microbios pueden mediar en la formación de ooides. [ 62 ]

Las rocas sedimentarias cuentan una historia.

Las rocas sedimentarias conservan vestigios de la historia de la vida en la Tierra en forma de fósiles , biomarcadores , isótopos y otros rastros. El registro geológico dista mucho de ser perfecto, y la preservación de biofirmas es un fenómeno poco frecuente. Comprender qué factores determinan el grado de preservación y el significado de lo que se conserva son componentes importantes para desentrañar la historia antigua de la coevolución de la vida y la Tierra. [ 11 ] El registro sedimentario permite a los científicos observar cambios en la vida y la composición de la Tierra a lo largo del tiempo e incluso, en ocasiones, datar transiciones importantes, como los eventos de extinción.

Algunos ejemplos clásicos de geobiología en el registro sedimentario incluyen estromatolitos y formaciones de hierro bandeado. El papel de la vida en el origen de ambas es un tema muy debatido. [ 23 ]

La vida es fundamentalmente química.

La primera forma de vida surgió de reacciones químicas abióticas . Cuándo, cómo e incluso en qué planeta ocurrió son inciertos. Sin embargo, la vida sigue las reglas de la química y la física inertes y surgió de ellas . Está sujeta a principios como la termodinámica . Este es un concepto importante en el campo porque representa la esencia de la interconexión, si no la similitud, entre la vida y la Tierra. [ 71 ]

Aunque a menudo se delega al campo de la astrobiología , los intentos de comprender cómo y cuándo surgió la vida también son relevantes para la geobiología. [ 72 ] Los primeros avances importantes para comprender el "cómo" se dieron con el experimento de Miller-Urey , cuando se formaron aminoácidos a partir de una " sopa primordial " simulada. Otra teoría es que la vida se originó en un sistema muy parecido a las chimeneas hidrotermales en los centros de expansión oceánica . En la síntesis de Fischer-Tropsch , se forman diversos hidrocarburos en condiciones similares a las de las chimeneas. Otras ideas incluyen la hipótesis del "Mundo de ARN" , que postula que la primera molécula biológica fue el ARN , y la idea de que la vida se originó en otro lugar del Sistema Solar y fue traída a la Tierra, quizás a través de un meteorito . [ 71 ]

Metodología

Una estera microbiana que crece en suelo ácido en la cuenca del géiser Norris , Parque Nacional de Yellowstone , EE. UU. La capa superior negra actúa como una especie de protector solar, y al mirar debajo se pueden ver las cianobacterias verdes .

Si bien la geobiología es un campo diverso y variado, que abarca ideas y técnicas de una amplia gama de disciplinas, existen varios métodos importantes que son clave para el estudio de la interacción entre la vida y la Tierra que se destacan aquí. [ 5 ]

  1. El cultivo de microorganismos en laboratorio se utiliza para caracterizar el metabolismo y el estilo de vida de los organismos de interés.
  2. La secuenciación genética permite a los científicos estudiar las relaciones entre los organismos existentes mediante la filogenética.
  3. La manipulación genética experimental o mutagénesis se utiliza para determinar la función de los genes en los organismos vivos.
  4. La microscopía se utiliza para visualizar el mundo microbiano. El trabajo con microscopio abarca desde la observación ambiental hasta estudios cuantitativos con sondas de ADN y la visualización de alta definición de la interfaz microbio-mineral mediante microscopía electrónica (ME).
  5. Los trazadores isotópicos pueden utilizarse para rastrear reacciones bioquímicas y comprender el metabolismo microbiano.
  6. La abundancia natural de isótopos en las rocas puede medirse para buscar fraccionamiento isotópico que sea consistente con un origen biológico.
  7. La caracterización ambiental detallada es fundamental para comprender qué aspectos de un hábitat podrían estar impulsando la evolución de la vida y, a su vez, cómo la vida podría estar transformando ese nicho ecológico. Incluye, entre otros factores, la temperatura, la luz, el pH, la salinidad, la concentración de moléculas específicas como el oxígeno y la comunidad biológica.
  8. La sedimentología y la estratigrafía se utilizan para interpretar las rocas. El registro geológico almacena la historia de los procesos geobiológicos en los sedimentos, que pueden descubrirse mediante la comprensión de la deposición , la sedimentación , la compactación , la diagénesis y la deformación .
  9. La búsqueda y el estudio de fósiles, si bien a menudo se delegan al campo independiente de la paleontología , son importantes en geobiología, aunque la escala de los fósiles suele ser menor ( micropaleontología ).
  10. El análisis bioquímico de biomarcadores , que son moléculas fosilizadas o modernas que indican la presencia de un determinado grupo de organismos o metabolismo, se utiliza para responder preguntas sobre la evidencia de vida y la diversidad metabólica. [ 11 ]
  11. La paleomagnetismo es el estudio del campo magnético antiguo del planeta. Es fundamental para comprender los magnetofósiles , la biomineralización y los cambios en los ecosistemas globales.

Como su nombre indica, la geobiología está estrechamente relacionada con muchos otros campos de estudio y carece de límites claramente definidos o de un consenso absoluto sobre su alcance exacto. Algunos investigadores adoptan una visión muy amplia de sus límites, abarcando campos más antiguos y consolidados como la biogeoquímica, la paleontología y la ecología microbiana. Otros, en cambio, adoptan una visión más restrictiva, asignándola a la investigación emergente que se sitúa entre estos campos existentes, como la geomicrobiología. La siguiente lista incluye tanto aquellas disciplinas que forman parte claramente de la geobiología, como la geomicrobiología, como aquellas que comparten intereses científicos pero que históricamente no se han considerado una subdisciplina de la geobiología, como la paleontología.

Astrobiología

La astrobiología es un campo interdisciplinario que utiliza una combinación de datos geobiológicos y de ciencias planetarias para establecer un contexto para la búsqueda de vida en otros planetas . El origen de la vida a partir de la química y la geología no vivas, o abiogénesis , es un tema central en astrobiología. Si bien es fundamentalmente una preocupación terrestre y, por lo tanto, de gran interés geobiológico, comprender el origen de la vida requiere considerar qué necesita la vida, qué tiene de especial la Tierra, qué pudo haber cambiado para permitir que la vida floreciera, qué constituye evidencia de vida e incluso qué constituye la vida misma. Estas son las mismas preguntas que los científicos podrían plantearse al buscar vida extraterrestre. Además, los astrobiólogos investigan la posibilidad de vida basada en otros metabolismos y elementos, la supervivencia de los organismos terrestres en otros planetas o naves espaciales, la evolución planetaria y del sistema solar, y la geoquímica espacial. [ 73 ]

Biogeoquímica

La biogeoquímica es una ciencia de sistemas que sintetiza el estudio de los procesos biológicos, geológicos y químicos para comprender las reacciones y la composición del medio ambiente natural. Se ocupa principalmente de los ciclos elementales globales, como el del nitrógeno y el carbono. El padre de la biogeoquímica fue James Lovelock , cuya " hipótesis de Gaia " proponía que los sistemas biológicos, químicos y geológicos de la Tierra interactúan para estabilizar las condiciones que sustentan la vida. [ 74 ]

Geobioquímica

Estromatolitos en la Formación Green River Shale, Wyoming , EE. UU., que datan del Eoceno.

La geobioquímica es similar a la biogeoquímica , pero se diferencia por su énfasis en los efectos de la geología sobre el desarrollo de los procesos bioquímicos de la vida, a diferencia del papel de la vida en los ciclos terrestres. Su objetivo principal es vincular los cambios biológicos, que abarcan las modificaciones evolutivas de los genes y los cambios en la expresión de genes y proteínas, con los cambios en la temperatura, la presión y la composición de los procesos geoquímicos para comprender cuándo y cómo evolucionó el metabolismo. La geobioquímica se fundamenta en la idea de que la vida es una respuesta planetaria, ya que la catálisis metabólica permite la liberación de la energía atrapada por un planeta en enfriamiento. [ 75 ]

Microbiología ambiental

La microbiología es una amplia disciplina científica que estudia la vida que mejor se observa al microscopio. Abarca diversos campos directamente relacionados con la geobiología, y las herramientas de la microbiología también se aplican a esta última. La microbiología ambiental está especialmente ligada a la geobiología, ya que busca comprender los organismos y procesos relevantes en la naturaleza, a diferencia del enfoque tradicional de laboratorio. La ecología microbiana es similar, pero tiende a centrarse más en estudios de laboratorio y en las relaciones entre los organismos dentro de una comunidad, así como dentro del ecosistema de su entorno físico, químico y geológico. Ambas disciplinas se basan en técnicas como la recolección de muestras de diversos entornos, la metagenómica , la secuenciación de ADN y la estadística .

Geomicrobiología y geoquímica microbiana

Sección transversal vertical de una estera microbiana que contiene diferentes organismos con distintos metabolismos . Las partes verdes son presumiblemente cianobacterias , y se observan microestructuras en forma de tipi en la superficie.

La geomicrobiología estudia tradicionalmente las interacciones entre microbios y minerales . Si bien generalmente se basa en las herramientas de la microbiología, la geoquímica microbiana utiliza métodos geológicos y químicos para abordar el mismo tema desde la perspectiva de las rocas. La geomicrobiología y geoquímica microbiana (GMG) es un campo interdisciplinario relativamente nuevo que aborda de manera más amplia la relación entre los microbios, la Tierra y los sistemas ambientales. Considerada un subconjunto tanto de la geobiología como de la geoquímica, la GMG busca comprender los ciclos biogeoquímicos elementales y la evolución de la vida en la Tierra. Específicamente, plantea preguntas sobre dónde viven los microbios, su abundancia local y global, su bioquímica estructural y funcional, cómo han evolucionado, la biomineralización y su potencial de preservación y presencia en el registro geológico. En muchos sentidos, la GMG parece equivalente a la geobiología, pero difiere en su alcance: la geobiología se centra en el papel de toda la vida, mientras que la GMG es estrictamente microbiana. Sin embargo, son estas diminutas criaturas las que dominaron la historia de la vida integrada a lo largo del tiempo y parecen haber tenido los efectos de mayor alcance. [ 76 ]

Geomicrobiología molecular

La geomicrobiología molecular adopta un enfoque mecanicista para comprender los procesos biológicos geológicamente relevantes. Puede estudiarse a nivel de ADN, proteínas, lípidos o cualquier metabolito . Un ejemplo de investigación en geomicrobiología molecular es el estudio de cómo los campos de lava recién formados son colonizados por microbios. La Universidad de Helsinki está llevando a cabo una investigación para determinar qué características microbianas específicas son necesarias para una colonización inicial exitosa y cómo las sucesiones microbianas pueden transformar la roca volcánica en suelo fértil. [ 77 ]

Geoquímica orgánica

La geoquímica orgánica es el estudio de las moléculas orgánicas que aparecen en el registro fósil de las rocas sedimentarias. La investigación en este campo se centra en fósiles moleculares que suelen ser biomarcadores lipídicos. Moléculas como los esteroles y los hopanoides, lípidos de membrana presentes en eucariotas y bacterias, respectivamente, pueden conservarse en el registro rocoso en escalas de tiempo de miles de millones de años. Tras la muerte del organismo del que proceden y la sedimentación, experimentan un proceso llamado diagénesis, mediante el cual se pierden muchos de los grupos funcionales específicos de los lípidos, pero el esqueleto de hidrocarburos permanece intacto. Estos lípidos fosilizados se denominan esteranos y hopanos, respectivamente. [ 78 ] También existen otros tipos de fósiles moleculares, como las porfirinas , cuyo descubrimiento en el petróleo por Alfred E. Treibs fue el que dio origen a este campo. [ 11 ] Otros aspectos de la geoquímica que también son pertinentes para la geobiología incluyen la geoquímica de isótopos, en la que los científicos buscan el fraccionamiento de isótopos en el registro de las rocas, y el análisis químico de biominerales , como la magnetita o el oro precipitado microbianamente.

Fósiles del período Ediacárico procedentes de Mistaken Point , Terranova. La biota del período Ediacárico se originó durante dicho período y es diferente a la mayoría de los animales que existen hoy en día.

Paleontología

Quizás la más antigua de todas, la paleontología es el estudio de los fósiles. Implica el descubrimiento, excavación, datación y comprensión paleoecológica de cualquier tipo de fósil, microbiano o dinosaurio, fósil de huellas o fósil corporal. La micropaleontología es particularmente relevante para la geobiología. Los supuestos microfósiles bacterianos y los estromatolitos antiguos se utilizan como evidencia del surgimiento de metabolismos como la fotosíntesis oxigénica. [ 79 ] La búsqueda de fósiles moleculares, como biomarcadores lipídicos como esteranos y hopanos, también ha jugado un papel importante en la geobiología y la geoquímica orgánica. [ 11 ] Las subdisciplinas relevantes incluyen la paleoecología y la paleobiogeografía .

Biogeografía

La biogeografía es el estudio de la distribución geográfica de la vida a lo largo del tiempo. Puede analizar la distribución actual de los organismos en continentes o entre micronichos, o la distribución de los organismos a lo largo del tiempo, o en el pasado, lo que se denomina paleobiogeografía.

biología evolutiva

La biología evolutiva es el estudio de los procesos evolutivos que han dado forma a la diversidad de la vida en la Tierra. Integra la genética , la ecología, la biogeografía y la paleontología para analizar temas como la selección natural , la varianza, la adaptación , la divergencia, la deriva genética y la especiación .

Ecohidrología

La ecohidrología es un campo interdisciplinario que estudia las interacciones entre el agua y los ecosistemas. Los isótopos estables del agua se utilizan a veces como trazadores de las fuentes de agua y las vías de flujo entre el medio físico y la biosfera. [ 80 ] [ 81 ]

Véase también

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  • Sociedad Geológica de América - Geobiología. Archivado el 9 de noviembre de 2019 en Wayback Machine.