Introducción A La Microbiología De La Cueva Una Revisión Para El No Especialista.docx

INTRODUCCIÓN A LA MICROBIOLOGÍA DE LA CUEVA: UNA REVISIÓN PARA EL NO ESPECIALISTA HAZEL A. BARTON Departamento de Ciencias Biológicas, Northern Kentucky University, Highland Heights, KY 41099

En la última década ha habido un interés creciente en la microbiota de cueva. Tal interés ha ayudado a muchos espeleólogos a reconocer y comprender la importancia de las especies microbianas en las cuevas, lo que ha llevado a mejoras en las prácticas de conservación de cuevas para conservar mejor estos ecosistemas invisibles. Si bien se ha publicado mucha información sobre las propiedades y funciones metabólicas de dichos ecosistemas subterráneos en la bibliografía sobre ecología microbiana, a veces el especialista no puede utilizarla debido a la "jerga" técnica y la información de fondo no explicada. El objetivo de esta revisión es proporcionar dicha información de fondo y explicar las tecnologías actuales disponibles para estudiar la microbiota de cueva. Al hacerlo, se espera que este material haga que la literatura sobre microbiología sea más accesible para los no especialistas interesados, y abra nuevas áreas de investigación en el estudio de las interacciones entre los minerales y los microbios. INTRODUCCIÓN El estudio de la microbiología de cuevas se ocupa de la vida microscópica que reside en las cuevas. La vida microscópica ha sido históricamente agrupada en la Monera, uno de los cinco reinos de la vida, y un grupo bastante amplio que incluye cualquier organismo microscópico que carece de un núcleo; También conocido históricamente como los procariotas (Whittaker, 1969). Los protozoos, que también son microscópicos e incluyen organismos como la ameba, contienen un núcleo y se clasifican dentro de los eucariotas (Whittaker, 1969). Si bien los virus también son microscópicos, no están técnicamente vivos y, aunque son fascinantes, no se discutirán dentro del alcance de esta revisión. Los animales, las plantas y los hongos constituyen las formas de vida que se pueden ver a simple vista (macroscópicas) y son núcleos de eucariotas. BREVE HISTORIA DE LA MICROBIOLOGÍA Durante la Edad Oscura (c.400-700 dC), enfermedades devastadoras, como la Muerte Negra, devastaron a la humanidad. En ese momento, solo había un vago indicio en la medicina de que estas enfermedades eran transmitidas por un agente infeccioso. Más bien, los médicos creían en los espíritus místicos y en los miasmas letales, que eran los responsables de tal pestilencia. Los pacientes intentarán alejar a estos espíritus malignos con amuletos e incluso flores; El "bolsillo lleno de posturas" de la canción infantil. Estos intentos fueron de alguna manera beneficiosos, aunque no por razones obvias de inmediato: respirar a través de contenedores de flores secas filtró de manera efectiva las bacterias responsables de la propagación de la plaga neumónica, perpetuando el mito de los vapores malignos. La primera toma de conciencia de un mundo microscópico ocurrió hace unos 300 años, cuando el comerciante de ropa holandés Antoni van Leeuwenhoek ideó un microscopio rudimentario hecho a mano para observar las fibras de la ropa. Leeuwenhoek también usó su microscopio para mirar otros materiales; en el agua del estanque vio tardígrados (para caminantes lentos), pequeños organismos parecidos a insectos que él denominó animalcules. Finalmente, al refinar la lente de su microscopio, Leeuwenhoek describió las primeras bacterias, que vio en su propia placa dental. Estas bacterias eran tan pequeñas que se necesitarían dos mil de ellas apiladas de extremo a extremo para atravesar la cabeza de un alfiler, que Leeuwenhoek describió con gran detalle.

Los animales de Leeuwenhoek fueron considerados nada más que una curiosidad durante casi 200 años, hasta la edad de oro de la microbiología y el trabajo de luminarias como Pasteur y Koch. Louis Pasteur quería comprender la noción entonces aceptada de generación espontánea: que una fuerza vital permitía que la vida surgiera espontáneamente en la comida o el vino. Al intentar definir la existencia de esta fuerza vital, en 1861, Pasteur demostró con éxito que esta "fuerza vital" estaba compuesta de microorganismos en el aire. Pasteur posteriormente diseñó formas de matar a estos organismos en los alimentos para evitar el deterioro y desarrolló la técnica de pasteurización. Robert Koch profundizó los principios de Pasteur y otros investigadores para demostrar que los mismos microorganismos que podrían estropear los alimentos también podrían causar enfermedades en los seres humanos. En 1876, Koch desarrolló las técnicas para identificar el agente causante del ántrax. Estas técnicas se convirtieron en un principio científico aceptado, denominado postulado de Koch, que puede aplicarse a cualquier microbio patógeno en la actualidad, incluso tan recientemente como en el caso del virus del síndrome respiratorio agudo severo (SARS). Siguiendo el trabajo de Pasteur, Koch y otros eminentes microbiólogos, los animales de Leeuwenhoek pasaron de ser simplemente una curiosidad a la base de la ciencia aceptada de la microbiología. Con su fundación en las ciencias médicas, el estudio de los microorganismos se ha concentrado históricamente en el impacto de los microorganismos en los seres humanos, ya sea a través de enfermedades o deterioro de los alimentos. Sin embargo, en 1887, Sergei Winogradsky hizo un descubrimiento innovador; identificó microorganismos que no obtenían alimentos mediante la fotosíntesis, pero podían usar energía mineral para extraer literalmente alimentos del aire, un proceso denominado quimiolitotrofia (energía química - quimio, alimentos del medio ambiente - litografía, para comer - trofeo) (Winogradsky, 1887). A pesar de la identificación de microorganismos que desafiaron todas las convenciones de la vida previamente entendidas (que se basan en material derivado de plantas), los descubrimientos de Winogradsky fueron considerados una curiosidad, y la mayoría de los microbiólogos continuaron concentrándose en solo un puñado de microbios responsables de la enfermedad humana. Por supuesto, una vez más se demostró que se pasó por alto una importante actividad microbiana: desde entonces los microbiólogos han determinado que los organismos químicos de Winogradsky se encuentran entre las formas de vida más significativas del planeta (Madigan et al., 2000). Debido a la capacidad de consumir material inorgánico para obtener energía, no es sorprendente que los microorganismos interactúen directamente con la geología de nuestro planeta. Sus actividades han ayudado a dar forma al entorno global en el que vivimos, proporcionaron el oxígeno que respiramos e incluso el aceite que impulsa nuestra economía (Gold, 1999; Madigan et al., 2000). Estos microbios también revierten los nutrientes esenciales, como el carbono (C), el nitrógeno (N), el azufre (S) y el fósforo (P) de nuestro ecosistema. De hecho, sin las actividades de estos microorganismos, toda la vida macroscópica en el planeta cesaría, mientras que estos microbios sobrevivirían bastante felices sin nosotros (Madigan et al., 2000). Obviamente, a medida que la ciencia de la microbiología continúa evolucionando, nuestro nivel de comprensión continúa cambiando. Esto ha llevado a la rápida iniciación de la investigación de extremófilos, que comenzó en 1967, cuando Thomas Brock identificó bacterias que crecen en las aguas termales en ebullición del Parque Nacional de Yellowstone (Brock, 1967). Estas condiciones cálidas demostraron las condiciones extremas en las que los microorganismos pueden sobrevivir y las químicas que pueden soportar su crecimiento (Madigan et al., 2000). La investigación con extremófilos extendió los límites físicos y químicos del ambiente en el que los microorganismos pueden sobrevivir, desde las temperaturas de esterilización (121 ° C) de los respiraderos volcánicos a millas por debajo de la superficie del Océano Pacífico, las condiciones similares a los ácidos

de la batería de los drenajes ácidos de las minas hasta la supervivencia millones de años dentro de los cristales de sal (Bond et al., 2000; Jannasch et al., 1992; Mormile et al., 2003; Shivaji et al., 2004; Thomas y Dieckmann, 2002). Hoy en día, casi todos los entornos imaginables se han examinado para detectar la presencia de microorganismos, incluidas, por supuesto, cuevas (Angert et al., 1998; Barton y Luiszer, 2005; Barton et al., 2004; Canaveras et al., 2006; Canaveras et al., 2001; Caumartin, 1963; Chelius y Moore, 2004; Cunningham et al., 1995; Engel et al., 2004; Groth y Saiz-Jimenez, 1999; Groth et al., 1999; Holmes et al., 2001; Hose et al., 2000; Northup and Lavoie, 2001; Sarbu et al., 1996) ESTUDIO DE MICROORGANISMOS EN AMBIENTES EXTREMOS Al intentar comprender las dificultades para llevar a cabo la microbiología en ambientes de cuevas, debemos volver a los métodos tradicionales desarrollados por Koch y otros en la década de 1880 (Koch, 1881). Las técnicas de microbiología tradicionales se basan en el cultivo de un microorganismo en una placa de Petri y luego en la identificación de este organismo basándose en la suma de sus reacciones para obtener alimentos, respirar y descomponer los productos (la suma de los cuales se conoce como metabolismo). Es por eso que a menudo se toman hisopos cuando se cree que un patógeno bacteriano es responsable de una infección, que se utiliza para hacer crecer el organismo sospechoso y realizar pruebas metabólicas para su identificación. Desafortunadamente, hay un pequeño problema al intentar cultivar microbios ambientales: la mayoría de los microorganismos no se pueden cultivar (o, como dicen los microbiólogos, "cultivar") en una placa de Petri. Este es un fenómeno que los microbiólogos han conocido desde la época de Winogradsky y se basa en una observación simple: si tomara un gramo de suelo, podría ver alrededor de 5,000 especies bacterianas diferentes bajo el microscopio, pero tendría suerte. si pudiera inducir el crecimiento de 50 especies diferentes, o el 1% de las observadas, (Amann et al., 1995; Amann et al., 1996). Esto es aún peor en comparación con una escala global: de los millones de especies de bacterias que se cree que existen en la Tierra, solo hemos podido cultivar aproximadamente 16,000 (American Type Culture Collection, 2006). La razón por la cual tantos microbios del medio ambiente no son cultivables aún no se comprende completamente (Bloomfield et al., 1998; Bogosian et al., 2000; Oliver, 1995; Whitesides y Oliver, 1997). Una razón que se considera importante proviene de la fundación de la microbiología en la medicina; históricamente, todas nuestras estrategias de cultivo para cultivar microorganismos se basan en las características de crecimiento de una pequeña cantidad de microbios capaces de infectar a los humanos. Como resultado, la mayoría de los medios de crecimiento microbiano (los contenidos de una placa de Petri) están diseñados, en cierta medida, para ser químicamente similares a los tejidos humanos. De hecho, estos medios a menudo están hechos de productos cárnicos hervidos con agar para hacer un gel nutritivo. Si bien estos medios de crecimiento funcionan extremadamente bien para los patógenos humanos, para los microorganismos ambientales que crecen usando reacciones químicas inusuales, el "alimento" en estas placas de Petri es inapropiado. Para cultivar estos microorganismos ambientales se requiere una cierta cantidad de conjeturas basadas en el entorno del cual se aislaron. Es como tratar de decidir qué comida de la cueva empacará para otra persona; todos tienen sus propias preferencias y no comen lo que no les gusta (Amann et al., 1995). Tal no cultivabilidad es probablemente más pronunciada en los microorganismos de la cueva. Sin la fotosíntesis, las cuevas están aisladas de la mayoría de la energía que sustenta la vida en la superficie, lo que limita la mayoría de los nutrientes a la zona de entrada. Como resultado, los microorganismos de las cavernas deben recurrir a fuentes alternativas de energía, como las que se encuentran en la atmósfera o que están presentes en la roca misma (Barton et al., 2004; Chelius y Moore, 2004; Engel et al., 2003; Northup et al., 2003; Spilde et al., 2005). Al adaptarse a estos entornos extremadamente hambrientos, los microorganismos producen mecanismos de eliminación elaborados para atraer nutrientes escasos a la

célula (Koch, 1997). Cuando estos organismos se exponen a los ricos nutrientes de una placa de Petri, no pueden rechazar estos mecanismos de barrido y rápidamente acumularse hasta la muerte (Koch, 1997, 2001). Como resultado, los microorganismos de entornos de cuevas hambrientas pueden tener dificultades para adaptarse al estado de nutrientes que cambia rápidamente y simplemente mueren a causa de las tensiones osmóticas (Koch, 1997). Por lo tanto, solo una pequeña minoría de microorganismos de las cuevas podría crecer en las placas de Petri estándar si sobreviven a las cambiantes condiciones de los nutrientes, incluidas especies como las especies Pseudomonas y Bacillus (Pemberton et al., 2005). Desafortunadamente, estas especies no pueden decirnos mucho sobre los procesos microbianos únicos que tienen lugar en ambientes de cuevas. Para superar estos problemas, los microbiólogos de las cavernas han dedicado mucho tiempo a desarrollar técnicas mejoradas para cultivar microorganismos de las cavernas (Gonzalez et al., 2006; Groth et al., 1999; Laiz et al., 1999). Muchas de estas técnicas son bastante especializadas, y es poco probable que muchos microbiólogos (como los de los laboratorios de diagnóstico o de microbiología hospitalaria) tengan acceso a los materiales necesarios para cultivar especies de cuevas raras. CRECER O NO CRECER La no cultivabilidad de las especies microbianas, en lugar de ser simplemente una curiosidad, representa un obstáculo importante si desea estudiar los microbios en entornos naturales de cuevas. Afortunadamente, la microbiología clásica perdió parte de su dependencia del cultivo en 1977, cuando Woese intentaba comprender las diferencias genéticas entre las especies microbianas (Woese y Fox, 1977). Históricamente, las bacterias habían sido identificadas por sus características de crecimiento y clasificadas según su forma y estructura. Este proceso de agrupar la vida en función de la estructura se denomina taxonomía y es extremadamente útil para determinar las relaciones evolutivas entre plantas, animales e insectos, etc. (Whittaker, 1969). En bacterias, el uso de estructuras para agrupar especies resulta bastante inútil. Las estructuras bacterianas generalmente representan variaciones en un tema: ya sea esferas (técnicamente llamadas cocos) o salchichas (bacilos) (Figura 1).

Figura 1. Imágenes de microscopía electrónica de barrido de temas comunes en la estructura bacteriana. Las dos estructuras más comunes son los A) bacilos (en cadenas, como estreptococos) y B) cocos (en pares, como diplococos). Como resultado, la taxonomía estructural tendía a agrupar las bacterias en grupos simplificados, pero artificiales. Por lo tanto, tendíamos a creer que los organismos eucariotas eran la forma de vida más compleja en la Tierra, con su amplia diversidad estructural; La taxonomía identifica más de 1,000,000 de especies de insectos solamente (mayo de 1988). Ante esta limitación, Woese optó por un enfoque diferente para resolver la taxonomía bacteriana. En lugar de examinar la estructura, miró el ADN dentro de las células.

Todos nosotros heredamos nuestra información genética de nuestros padres, lo que crea un modelo genético de nuestro árbol genealógico (niños de ojos azules a padres de ojos azules, etc.). Al mirar los apellidos en un árbol genealógico tradicional, también es bastante fácil ver quién está relacionado con quién, según cómo cambian los apellidos; el mismo apellido indica descendencia directa, mientras que un cambio en el apellido puede indicar un matrimonio dentro de la familia. De manera similar, Woese extrajo los apellidos genéticos de varios microorganismos para determinar un árbol familiar para la vida microbiana (Woese y Fox, 1977). Al examinar estos datos, descubrió que las bacterias son mucho más diversas de lo que sospechábamos anteriormente. Esta diversidad, en lugar de expresarse a través de la estructura, se elaboró a través de capacidades fenomenales de fisiología y metabolismo (Woese, 1987). Woese también identificó un tipo de vida completamente nuevo utilizando esta técnica, que antes era desconocida para la ciencia. Esta nueva forma de vida se parecía a la bacteria, pero los controles genéticos internos se parecían más a los que se encuentran en los organismos eucarióticos (como las plantas y los animales). Estos organismos también se encontraron principalmente en las condiciones más duras; condiciones similares a las que se pueden haber encontrado en la Tierra primitiva. Por lo tanto, Woese nombró esta forma de vida recién descubierta por sus orígenes potencialmente antiguos, llamándolos Archaea (Woese y Fox, 1977). Lo que surgió de este trabajo fue que, más allá del árbol de la vida de los cinco habitantes, existen dominios; Los grupos primarios de la vida en la tierra. Estos dominios representan 1) las Bacterias (procariotas; que carecen de un núcleo), 2) las Arqueas (también procariotas, pero con estructuras que las diferencian de las bacterias y una estructura de ADN más similar a un eucariota), y 3) los Eucariotas (eucariotas; que contiene un núcleo) (Figura 2).

Figura 2. Un árbol de la vida universal basado en las comparaciones genéticas de Woese y Fox (1977), con un mayor refinamiento de Pace (1997). La base del árbol emerge de la "raíz" o último ancestro común de la vida y se divide en los tres dominios principales de la vida; Las Bacterias, Archaea y Eukarya. Las ramas representan las divisiones (reinos) principales (simplificadas) de la vida dentro de cada dominio. MÁS ALLÁ DEL ÁRBOL GENÉTICO El trabajo de Woese fue innovador y cambió nuestra comprensión de lo que es la "vida" en la Tierra. Con el refinamiento adicional de otros investigadores, también mostró que un árbol de cinco reinos era una simplificación excesiva, con una estimación actual de casi 100 reinos (divisiones) distintos de la vida en la Tierra (Hugenholtz et al., 1998; Pace, 1997). El nuevo árbol también reveló que la vida más antigua, más compleja y más abundante en la Tierra era en realidad microscópica (Pace, 1997). Este trabajo entusiasmó

a varios científicos, entre ellos Pace (un microbiólogo y caverno de Indiana) que decidió buscar los apellidos genéticos de Woese en el medio ambiente sin cultivo (Lane et al., 1985; Stahl et al., 1985). La técnica utiliza la reacción en cadena de la polimerasa, o PCR para abreviar, y permite a los investigadores hacer millones de copias de una sola pieza de ADN. Hoy en día se usa comúnmente una técnica similar para buscar datos genéticos en las investigaciones de la escena del crimen o para detectar la presencia del virus del VIH en la sangre de un paciente. Cuando Pace usó la reacción de PCR para buscar apellidos genéticos bacterianos en el ambiente, alteró nuestra comprensión de la ecología microbiana (Pace, 1997). En lugar de generar un árbol de linaje a partir de un puñado de organismos que podrían cultivarse en el laboratorio, esta nueva técnica permitió que se examinaran ecosistemas microbianos completos de una vez sin las limitaciones del cultivo. Pronto, otros investigadores comenzaron a usar las mismas técnicas para estudiar entornos, y la cantidad de apellidos genéticos que la ciencia conocía pasó rápidamente de 177 a los 120,000 que están disponibles en la actualidad (Maidak et al., 2001). Estas técnicas también han mejorado nuestra capacidad para estimar la verdadera diversidad de microorganismos (avergonzar a los entomólogos) con una población mundial estimada de 200,000,000 especies diferentes de bacterias solo (Curtis et al., 2002; Dojka et al., 2000; Torsvik et al ., 2002). IDENTIFICACIÓN SIN CULTIVO El uso de apellidos genéticos para identificar microorganismos (técnicamente denominados filogenéticos moleculares: moleculares, que utilizan moléculas de ADN, filogenéticos, una reconstrucción de la historia evolutiva), nos brindó herramientas para identificar microorganismos en un entorno sin cultivo. Por lo tanto, la filogenética molecular nos ha permitido examinar con eficacia los microorganismos en ambientes extremos; condiciones que serían casi imposibles de reproducir en el laboratorio para el crecimiento utilizando el enfoque de Koch. Estos "apellidos" genéticos son genes con un nombre bastante largo: la secuencia del gen del ARN ribosomal 16S, o el ARNr 16S para abreviar. Este gen es de importancia crítica en la célula, ya que codifica un componente estructural del ribosoma, la fábrica celular utilizada para construir proteínas (Figura 3).

Figura 3. La función del ARN ribosomal 16S (ARNr) dentro del ensamblaje del ribosoma. El ARNr 16S se transcribe a partir del ADN genómico, plegándose en una estructura tridimensional (A). Este "andamio" permite que las 21 proteínas ribosómicas se unan (B) y se unan en la subunidad pequeña 30S del ribosoma (C). En esta estructura funcional, la subunidad 30S se ensambla con la subunidad 50S más grande alrededor de la proteína que codifica el ARN mensajero, lo que permite la síntesis de proteínas (D).

El ribosoma es una estructura complicada, formada por dos dominios funcionales, una gran subunidad 50S y una pequeña 30S. Cada subunidad está construida a partir de bloques de construcción de proteínas y, debido a su complejidad, una porción de ARN actúa como un andamio sobre el cual se puede ensamblar el ribosoma, al igual que un andamio puede ayudar a la construcción de una casa. La subunidad 30S se ensambla alrededor del rRNA 16S. Si la forma del ARNr 16S cambiara drásticamente, el ribosoma no se construiría correctamente y la célula ya no podría producir proteínas, lo que provocaría una muerte casi instantánea. Esta necesidad de una estructura inalterada restringe la forma del ARN ribosomal, de modo que solo se pueden hacer pequeñas modificaciones a lo largo del tiempo, sin dañar la síntesis de proteínas. En biología, esto se conoce como una restricción evolutiva. Por lo tanto, a lo largo de la historia de los microbios, solo ha habido cambios sutiles en la estructura de las moléculas de ARNr, muy parecidos a los "Susurros chinos" (donde los pequeños errores en una oración cambian sutilmente su contexto cuando se susurran de persona a persona). Estos cambios en el rRNA 16S permitieron a Woese identificar los linajes primarios de la vida y rastrear la descendencia para predecir las formas más antiguas de vida en la Tierra (Woese, 1987; Woese y Fox, 1977). Si bien la filogenética molecular puede parecer un ejercicio interesante en biología evolutiva, estas técnicas nos permiten determinar cómo se relacionan los microbios según qué tan similares son sus secuencias de ARNr 16S. Para explicar cómo funciona esto, debemos volver a la analogía del apellido genético y el árbol genealógico. Al determinar la ascendencia, si un apellido es el mismo, existe una alta probabilidad de que dos personas estén estrechamente relacionadas; sin embargo, ¿qué pasa si los apellidos son similares, pero no iguales? En el caso de los microbios, como Escherichia coli, sabemos que, según la estructura y la bioquímica, está estrechamente relacionado con la entrone de Salmonella. Debido a que son parientes cercanos, podemos asumir que la Salmonella tiene muchas de las mismas actividades metabólicas y vive en el mismo entorno que la E. coli. Esto es realmente correcto, ya que ambos residen en los tractos gastrointestinales de los mamíferos. De la misma manera, podemos comparar las secuencias 16S rRNA de E. coli y Salmonella y ver que son idénticas en un 99%. Por lo tanto, si no tuviéramos otra información que no sea la secuencia de 16S rRNA, podemos suponer que la Salmonella tuvo una actividad metabólica similar a la de E. coli. Esta es esencialmente la base del enfoque filogenético molecular, que permite el análisis de comunidades microbianas sin cultivo. Si bien la técnica parece bastante sencilla, en la práctica es un gran desafío debido a la complejidad de alinear miles de secuencias de ADN para encontrar la coincidencia más cercana (Maidak et al., 2001; Maidak et al., 2000; Nei et al., 1998 ). No obstante, la estrecha relación entre las especies se puede mostrar gráficamente como un dendrograma, que es un modelo matemático de un árbol genealógico basado en una secuencia del gen 16S rRNA (Figura 4). En las revistas científicas, los análisis filogenéticos moleculares de los entornos a menudo se explican con dendrogramas, con una escala en la parte inferior para indicar la distancia relativa entre los organismos. Estos dendrogramas nos permiten ver qué tan cerca Los organismos están relacionados con los representantes cultivados con actividad metabólica conocida; Cuanto menor sea la distancia, más estrechamente se relaciona un organismo. Estos dendogramas también permiten una representación visual de la estructura de la comunidad; Al igual que las páginas amarillas nos permiten determinar qué empresas impulsan la economía de una ciudad, los dendogramas nos permiten determinar qué actividades impulsan los procesos que respaldan a una comunidad microbiana dentro de un entorno. El árbol en la Figura 4 es de Carlsbad Caverns y sugiere que hay una serie de actividades metabólicas que están ocurriendo para apoyar el crecimiento en este entorno de cueva extremadamente hambriento, como la fijación de gas nitrógeno de la atmósfera y la obtención de energía de la roca en sí (Barton et al. al., 2005a). Los análisis filogenéticos moleculares también nos

pueden dar información sobre qué nutrientes están disponibles en un entorno, y brindan pistas sobre qué agregar a nuestras placas de Petri para mejorar las posibilidades de desarrollar esos raros microbios de la cueva. IMPLICACIONES MAS AMPLIAS A medida que las observaciones originales de Leeuwenhoek cambiaron nuestra comprensión del mundo que nos rodea, el reconocimiento de microorganismos en muestras de cuevas geológicas ha alterado nuestra percepción de los ecosistemas de cuevas (Barton y Northup, 2006). La ciencia de la geomicrobiología de las cavernas ha reflejado de manera similar el aumento meteórico de la microbiología como ciencia, con nuevas ideas que sugieren que los microorganismos de las cavernas pueden estar involucrados en procesos tan variados como la deposición de espeleotemas para el agrandamiento de cavernas (Canaveras et al., 2006; Engel et al., 2004). Si bien el importante papel de los microorganismos de la cueva puede ser de interés para los espeleólogos, las implicaciones de esta investigación van mucho más allá de las cuevas. Por ejemplo, el trabajo de Saiz-Jimenez y sus colegas ha llevado a la identificación de microorganismos que degradan las pinturas antiguas y prehistóricas en la cueva de Altamira, España (Schabereiter-Gurtner et al., 2002). Este trabajo no solo contribuyó a comprender el papel de los microorganismos en la degradación y posterior conservación de estas pinturas, sino que también identificó especies microbianas que podían colonizar las superficies de carbonato y depositar calcita. Tal trabajo tuvo implicaciones significativas en la conservación de antiguos monumentos y estatuas de mármol, donde los microorganismos podrían utilizarse para depositar una capa de calcita para proteger las estructuras antiguas de la erosión continua (Laiz et al., 2003). De manera similar, en Carlsbad Caverns hemos identificado una nueva especie de microorganismo que puede degradar compuestos aromáticos complejos, como el benzotiazol y el ácido benezenosulfónico para el crecimiento, que son compuestos involucrados en la fabricación de plásticos y son contaminantes ambientales peligrosos (Bennett y Barton, 2006) . Tal capacidad podría permitir que estas especies se inoculen en ambientes contaminados, degradar rápidamente tales contaminantes y permitir la restauración de hábitats naturales en un proceso llamado biorremediación. Los microorganismos de la cueva, con su adaptación a la hambruna extrema, también tienen el potencial de albergar otras biomoléculas importantes. Entornos similares han producido microbios con propiedades que permiten una producción eficiente de etanol para el combustible, enzimas para el procesamiento de papel ecológico e incluso el lavado mejorado de los pantalones vaqueros. Los microorganismos de la cueva también tienen el potencial de albergar antibióticos únicos y tratamientos para el cáncer (Onaga, 2001). Finalmente, una de las preguntas filosóficas de la humanidad se refiere a nuestro lugar en el Universo: ¿Estamos solos? ¿Es la vida en la Tierra única? La microbiología de las cavernas no solo puede responder preguntas sobre los límites de la vida, sino que también nos ayuda a identificar las firmas geoquímicas de la vida. Tales firmas son capaces de sobrevivir al levantamiento geológico, lo que les permite ser detectadas en la superficie de los planetas, como Marte (Boston et al., 2001). Si bien estas ideas pueden parecer una aplicación extraordinaria de la geomicrobiología de la cueva, la NASA recientemente ha experimentado un espectacular cambio de enfoque al adaptar sus actividades al retorno de los humanos a la luna y la exploración de Marte y el mundo más allá para encontrar evidencia de vidas pasadas, actividades en las que puede jugar la geomicrobiología de la cueva. Un papel importante (Comunicado de Prensa de la Casa Blanca, 2004). MICROBIOLOGIA DE LA CUEVA Si bien este extenso preámbulo ha explicado lo difícil que puede ser la microbiología de las cavernas y las posibles soluciones técnicas, no impide que la cobertura promedio esté involucrada en la microbiología de las cavernas; sin embargo, es de esperar que explique por qué el correr y recolectar "goo" en bolsas de

plástico no va a avanzar en el campo. Además de la ética tradicional de conservación sin dejar rastro de la exploración de cuevas, hay dos roles importantes que los espeleólogos pueden desempeñar en la microbiología de cuevas; 1) es la identificación de la nueva biota de la cueva y los ecosistemas a través de la exploración y el estudio continuos, y 2) tomar medidas para limitar la contaminación humana y conservar los hábitats microbianos de las cuevas. VIGILANTE DE LA CUEVA COMO MICROBIÓLOGO Puede ser un tramo sugerir que al explorar y estudiar una cueva está contribuyendo al campo de la geomicrobiología de la cueva, pero sigue siendo casi imposible predecir la ubicación de la actividad microbiana sin su descubrimiento activo. La actividad microbiana en las cuevas abarca desde el látigo viscoso obvio hasta la deposición más sutil de calcita o la alteración de la superficie de la roca. Hay una serie de características que pueden identificarse dentro de las cuevas como evidencia de actividad microbiana (Figura 5):

Figura 5. Actividad microbiológica en cuevas. A) Puntos: colonias microbianas en la superficie de una roca que se muestrea con una aguja hipodérmica; B) Color: actividad microbiana que conduce a la decoloración de la superficie de una roca; C) Precipitación: mineralización en bandas sobre la superficie de una roca por actividad microbiana (el precipitado se ha desprendido revelando la formación en bandas del depósito); D) Residuos de corrosión: residuos de corrosión de colores brillantes formados en el techo de una cueva; E) Cambios estructurales: usar un conjunto de microelectrodos para examinar los gradientes químicos formados dentro de un techo de cueva blando; F) Biofilms: un recubrimiento blanco de biofilm en el lecho de una cueva.

Puntos en las superficies: la aparición de puntos en las superficies puede no ser necesariamente debido a la deposición de minerales abióticos. A menudo, cuando las condiciones son apropiadas, los microorganismos pueden crecer como una colonia lo suficientemente grande como para ser visto a simple vista. Estas colonias son similares en forma a las que se pueden ver en una placa de Petri y cada una representa el crecimiento de millones de bacterias. Algunas veces estas colonias pueden ser más evidentes a través de la deposición concurrente de minerales (como la calcita), creando un contraste contra la roca madre del huésped. Tales colonias microbianas son particularmente obvias en áreas de agua filtrada.

Coloración inusual: cuando los microorganismos crecen en las superficies, pueden alterar la química de la superficie, lo que lleva a un cambio sutil en la coloración de la roca. Ejemplos clásicos de esto son los residuos negros / rojos que se ven en la Sala del Almuerzo de las Cavernas Carlsbad. El mecanismo exacto de esta coloración puede variar de un sitio a otro con la química local y la actividad microbiana. Precipitados: los microorganismos utilizan gradientes químicos para generar energía, de la misma forma en que usamos el gradiente químico entre los alimentos y el oxígeno para generar energía para la vida. Al usar estos gradientes, los microorganismos a menudo pueden cambiar las condiciones circundantes de su entorno, lo que lleva a un cambio en las propiedades químicas de los minerales. En el caso de minerales como el hierro y los óxidos de manganeso, esto conducirá a un cambio en la solubilidad de estos minerales y conducirá a su precipitación. Dicha precipitación mediada por microbios a menudo forma capas de minerales en bandas en las superficies. Residuos de corrosión: se ha realizado una gran cantidad de trabajo en las cuevas de las montañas de Guadalupe sobre los residuos de corrosión que se forman como resultado de las interacciones microbianas con los minerales de caliza y dolomita (Barton et al., 2005a; Cunningham et al., 1995; Northup et al., 2003). Mientras los investigadores aún intentan dilucidar el mecanismo exacto de su formación, parece que la actividad metabólica microbiana está involucrada en la disolución de la roca hospedadora, mientras que los gradientes químicos generadores de energía causan la continua transformación de minerales y la precipitación. Cualquiera que sea el mecanismo, estos residuos de corrosión blandos y en polvo son un componente emocionante de la actividad geomicrobiana en entornos de cuevas y pueden proporcionar información útil sobre los mecanismos de generación de energía en entornos extremadamente hambrientos. Cambios estructurales: cuando los microorganismos interactúan con la roca en la que viven, pueden causar diferentes cambios químicos en la roca. Estos cambios pueden ser distintos de los cambios de color brillante que se ven con los residuos de corrosión, lo que resulta en cambios estructurales sutiles, como la disminución de la densidad o el ablandamiento de la roca huésped. En la cueva Grayson-Gunnar en Kentucky, las áreas del techo se han reducido a una consistencia húmeda, similar a la pasta dental, que permite estrategias únicas de adquisición de energía microbiana. Biopelículas: uno de los signos más evidentes de la actividad microbiológica en un entorno de cueva es la presencia de biopelículas. Estos recubrimientos se componen de comunidades microbianas, unidas por polímeros tipo gel que producen una variedad de estructuras que incluyen: fangos de sustancia pegajosa tipo moco, empanadillas flotantes, recubrimientos subacuáticos resbaladizos y zarcillos similares a pelos. Estas estructuras tienden a formar un polímero pegajoso que agrupa las especies bacterianas, con las condiciones ambientales y la acción mecánica del agua que dictan la estructura que formará la comunidad. Estas biopelículas a menudo se forman donde la energía entra en el ambiente de la cueva y han demostrado importantes conocimientos sobre las fuentes de energía que sustentan la vida de la cueva (Angert et al., 1998). Una regla de oro como un caver es que si ves algo inusual que no puede explicarse fácilmente por los fenómenos geológicos, puede ser microbiológico. Hay una serie de investigadores activos en caver / microbiología en los Estados Unidos que pueden ayudarlo a determinar su importancia relativa (Barton et al., 2005b; Boston et al., 2001; Chelius y Moore, 2004; Engel et al., 2004; Northup et al., 2003; Spear et al., 2005). Además de la identificación de ecosistemas de cuevas únicos, una de las herramientas más importantes de nuestra investigación es una línea de parcela / estudio y un mapa. Dichos mapas permiten a los investigadores determinar a qué altura de la superficie se encuentra la actividad microbiana, su posición relativa a las fallas geológicas y otros factores que podrían aportar energía al sistema para el crecimiento microbiano.

Conservación de microbios Si bien puede ser difícil recordar proteger las cosas que no puede ver, para minimizar su impacto sobre los microbios, las técnicas de cavidad de impacto mínimo son apropiadas. Estos incluyen mantenerse en el camino establecido, eliminar todos los desechos, evitar tocar cualquier cosa innecesariamente y, en general, minimizar su impacto en el medio ambiente. Si bien a menudo se advierte a los principiantes que no deben tocar formaciones, es importante pensar de manera similar acerca de establecer límites para tocar innecesariamente las paredes (especialmente donde la humedad es obvia), los sedimentos no perturbados y los residuos de corrosión. Algunos sistemas de cuevas pueden soportar más impacto humano que otros, y lo mismo ocurre con los sistemas microbianos. Si una cueva se inunda, es probable que los microbios se adapten a flujos repentinos de material y energía, por lo que no se requiere un nivel de ansiedad y se debe tener menos cuidado. Otros sistemas con pasajes perennemente secos se impactan más fácilmente. En algunos casos extremos, como la cueva de Lechuguilla, los senderos señalizados limitan a todos los viajeros a la misma área, para evitar innecesariamente paredes y otras superficies. Además de las actividades de conservación dentro de la cueva, también piense en las actividades que está realizando para prepararse para la cueva. El mayor impacto que las personas pueden tener en los ecosistemas microbianos en las cuevas es no lavar el equipo de espeleología y sembrar una cueva con los microbios de otra cueva. He oído hablar de algunos espeleólogos que bajarán y olerán sus overoles entre viajes de espeleología, para arreglar su cueva de ese olor a tierra de la suciedad en su mono. Ese olor es una mezcla de productos orgánicos que se producen cuando las especies microbianas, conocidas como Actinomycetes, descomponen material orgánico (Jachymova et al., 2002; Scholler et al., 2002). Si bien puedes sentirte bien por el olor de los excrementos microbianos, también significa que si no están lavados, esos Actinomicetos viajarán contigo al siguiente sistema de cuevas. Al limitar su impacto en dichos entornos, piense en la naturaleza potencialmente delicada de los ecosistemas microbianos y, si bien no recomendaría bañarse con desinfectante (las duchas son contraproducentes, ya que resecan la piel, aumentan el desprendimiento de células) o usan trajes ambientales, sentido común debe prevalecer Piense en su higiene personal cuando ingrese a un delicado sistema de cuevas: ¿Ha cepillado su cabello recientemente? ¿El cabello largo está recogido para que no se caiga en la cueva? Piensa en la comida que llevas contigo a una cueva. Evite todo lo que genere migas y trate de comer sobre una bolsa de plástico, incluso cuando haya pocas posibilidades de derramarse, porque una miga es suficiente para alimentar a un millón de microbios durante muchos meses. Además de seguir la ética sin dejar rastro para mantener la belleza estética y los ecosistemas visibles del entorno de la cueva, una atención similar puede contribuir en gran medida a conservar la salud de los ecosistemas microbianos. CONCLUSIÓN La ciencia de la geomicrobiología aún está en su infancia, y al igual que en otros campos dentro de la microbiología, continúa evolucionando. Al hacerlo, los descubrimientos significativos están actualizando nuestra comprensión de las interacciones de micro-roca y cómo los microorganismos han ayudado a moldear nuestro entorno global (Balkwill et al., 1997; Banfield y Nealson, 1997; Barghoorn y Schopf, 1966; Ben-Ari, 2002; Colwell et al., 1997; Schopf, 1983). Del mismo modo, la microbiología de las cavernas está cambiando continuamente; desde la descripción preliminar de la microbiota de cueva a finales del siglo pasado hasta las sofisticadas técnicas empleadas en la actualidad (Caumartin, 1963; Sarbu et al., 1996). A medida que los espeleólogos continúan explorando cuevas en busca de lo desconocido, pueden ayudar a los geomicrobiólogos a identificar ecosistemas microbianos únicos y ayudarnos a preservar este importante recurso.