Rosetta analiza el agua del cometa 67P

Hace unas semanas, el 12 de noviembre de 2014, se producía el “acometaje” de la sonda Philae sobre el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, que dejó a todos estupefactos, a pesar de que no se realizó con toda la precisión que era deseable. La sonda Philae, llevada hasta el cometa por la nave Rosetta, prometía conseguir datos hasta ahora insospechados sobre la composición del cometa lo que permitiría conocer mejor el origen del sistema solar. Sin embargo, en su viaje, la nave Rosetta no se quedó cruzada de brazos, o mejor dicho, cruzada de instrumentos científicos, y aprovechó su periplo para analizar la composición isotópica del agua que se iba encontrando.
Como ya hemos mencionado en otro programa, el agua puede contener dos isótopos del hidrógeno, el normal, con solo un protón en el núcleo, y el deuterio, que posee además un neutrón. La composición isotópica del agua varía entre diferentes regiones del sistema solar y se cree que igualmente lo hizo entre diferentes regiones de la nube primitiva que le dio origen. Determinar la composición isotópica del agua en diferentes regiones del sistema solar es importante para averiguar el origen del agua sobre la Tierra.

Hoy es conocido que el agua que existe sobre nuestro planeta no proviene solo de la que pudiera contener inicialmente, sino que se acumuló más tarde gracias a colisiones con asteroides o cometas. De hecho, existe una controversia sobre este punto, y algunos defienden que el agua proviene mayoritariamente de asteroides; otros, que proviene mayoritariamente de cometas. Determinar la composición isotópica del agua en esos cuerpos puede darnos la clave sobre cuál es, en definitiva, el origen extraterrestre del agua terráquea.

En su viaje, la nave Rosetta realiza precisamente una determinación de la composición isotópica del agua con al que se va encontrando en diferentes puntos, gracias a un espectrómetro de masas a bordo, llamado ROSINA. Este instrumento, a pesar de tener ya más de diez años de edad, es muy sofisticado y puede determinar la composición isotópica del hidrógeno del agua en moléculas que también poseen diferentes isotopos del oxígeno, de los cuales existen dos principales el oxígeno 16 y el oxígeno 18, con dos neutrones más en su núcleo. Esta propiedad hace que la determinación isotópica del hidrógeno en el agua realizada por ROSINA sea muy fiable.

Rosetta en su viaje ha ido determinando la composición de los gases que le rodeaban, no solo del agua. La nave iba perdiendo moléculas en forma de gas, incluido vapor de agua, lubricantes utilizados en su fabricación, etc., que podían ser analizadas por ROSINA. Incluso 10 años después de su lanzamiento, tras ese tiempo en el espacio, ROSINA podía todavía detectar y analizar estas moléculas, lo cual confirmaba su buen funcionamiento.

Mientras Rosetta se encontraba lejos del cometa 67P, la composición isotópica del agua que analizaba era compatible con la terrestre, lo que indicaba que el agua provenía de la propia nave. Sin embargo, a partir del día 8 de agosto de 2014, se produjo un cambio en la composición isotópica del agua detectada por ROSINA, mientras que la del fluor, que proviene de los gases emitidos por los lubricantes de Rosetta, se mantenía constante. Este cambio era debido a la aproximación al cometa 67P. Entre el 8 de agosto y el 5 de septiembre de 2014, ROSINA hizo más estimaciones lo que permitió establecer la composición isotópica del agua desprendida por el cometa.

Los datos adquiridos de este modo indican que la relación deuterio/hidrógeno es tres veces superior a la terrestre. Este resultado siembra serias dudas sobre si el agua terrestre proviene de los cometas del cinturón de Kuiper, de donde proviene el comete 67P, y apuntan ahora con más fuerza a que el agua terrestre proviene de colisiones con asteroides, no de cometas. En cualquier caso, seguirán siendo necesarios análisis y estudios adicionales para determinar con precisión de dónde proviene el agua de la Tierra y qué sucedió para que nuestro planeta, que en principio tenía que ser mucho más seco, pudiera acumular suficiente líquido elemento y moléculas orgánicas como para hacer muy probable el origen de la vida. (1).

Comenzamos hablando de la sonda espacial Rosetta, que continúa su viaje acompañando al cometa 67P en su periplo alrededor del Sol. La sonda ha analizado la composición isotópica del agua que se desprende del comenta y aporta información que puede ayudar a determinar el origen del agua terrestre. A continuación, hablamos de calentamiento global. Un equipo de científicos ha estudiado los restos de un periodo de calentamiento sucedido hace 55,5 millones de años que, por sus características, podría tener muchas cosas en común con el actual. Y, para terminar, hablamos de la guerra por el hierro, un recurso vital entre los microorganismos y los seres a los que parasitan.

Las enseñanzas de un periodo de calentamiento global similar al actual

Pocas personas discuten ya que estamos inmersos en un periodo de calentamiento global del planeta y casi nadie tiene la menor duda al señalar a los culpables: los gases de efecto invernadero que nosotros mismos estamos liberando. En lo que ya no existe un consenso tan mayoritario es al estimar las consecuencias que este comportamiento tendrá a largo plazo. Una forma de vislumbrar lo que nos deparará el futuro consiste, paradójicamente, en rebuscar en el pasado, así lo ha hecho Gabe Bowen y su equipo de científicos de la Universidad de Utah. Bowen ha estado estudiando los sedimentos acumulados en un lugar Wyoming conocido como Bighorn Basin y ha descubierto un periodo de la historia terrestre en el que la Tierra sufrió un calentamiento que tiene ciertas similitudes con al actual. El periodo en cuestión comenzó hace 55,5 millones de años, durante lo que se conoce como el Máximo térmico del Peloceno-Eoceno. Por entonces hacía casi 10 millones de años que los dinosaurios habían dejado de existir y comenzaba un momento de expansión de los mamíferos. El lugar escogido para el estudio acumula casi dos kilómetros de sedimentos que abarcan un amplio periodo que va desde los 65 hasta los 52 millones de años antes de nuestra era. Después de perforar y extraer testigos de los sedimentos a distintas profundidades, los científicos han estudiado la composición de los mismos y han llegado a la conclusión de que hace 55,5 comenzó un periodo de calentamiento global que elevó la temperatura del planeta entre 5 y 8 grados centígrados.

Los análisis revelan que el calentamiento se produjo al mismo tiempo que tenía lugar una liberación media de 0,9 miles de millones de kilogramos de carbono anuales a la atmósfera. Por entonces no había una civilización capaz de quemar combustibles fósiles así que la fuente de carbono tuvo que ser, probablemente, metano. En la actualidad, la humanidad está emitiendo una cantidad diez veces superior, 9,5 miles de millones de Kg. No obstante, el dato obtenido por los científicos se refiere al valor medio durante un periodo muy amplio, alrededor de 200.000 años, por lo que no se descarta que en momentos concretos la emisión fuera muy superior. Por otro lado, si hacemos media del carbono liberado a la atmósfera durante el último siglo, se obtienen 3 mil millones de kg anuales de media, una cantidad más cercana a la obtenida en el estudio.

Se habían apuntado varias causas posibles de la liberación de carbono durante el periodo estudiado, choque de algún asteroide, derretimiento gradual del permafrost, combustión de la turba en el subsuelo o grandes incendios de materia vegetal. Sin embargo, los datos obtenidos indican que la liberación no se produjo en un solo evento ni de manera paulatina sino que presenta dos picos muy notables de emisión. Los científicos se inclinan por culpar del calentamiento a liberación masiva del metano acumulado en forma de clatratos hidratados en el fondo oceánico. Estos clatratos se forman cuando las moléculas de agua, al congelarse, adquieren una configuración cerrada, es decir, forman dodecaedros o hexadodecaedros que encierran en su interior moléculas de metano.

Se calcula que, en la actualidad, la cantidad de metano acumulado en forma de clatratos en el fondo de los océanos es 10 veces superior a la de todas las reservas de carbón, petróleo y gas natural juntas. Según han podido averiguar los investigadores, durante el Máximo Térmico del Peleoceno-Eoceno se produjo tuvo un primer pico de liberación de carbono a la atmósfera, seguido de un periodo de en el que se recuperaron los niveles normales, posteriormente, volvió a subir la emisión y tuvo lugar un segundo pico que volvió a calentar aún más el planeta. Cada uno de esos pulsos tuvo una duración inferior a 1.500 años, un tiempo muy corto a escala geológica, aunque es posible que se pueda afinar más en el futuro. El hecho de que se produjeran dos picos de liberación de carbono sugiere que el primero de ellos tal vez fue el que motivó el segundo. La hipótesis propuesta indica que la elevación inicial de temperatura durante el primer ciclo, pudo haber calentado las aguas de los océanos lo suficiente como para que comenzaran a fundirse los clatratos almacenados en el fondo, liberando el metano que encerraban en su interior. El metano es un gas de invernadero 21 veces más potente que el CO2, por lo que la liberación inicial potenció aún más el efecto y provocó una liberación masiva del metano encerrado en el fondo oceánico y en el permafrost de las regiones frías. Curiosamente, las consecuencias para la vida en la tierra no parecieron ser tan dramáticas, aunque se han detectado algunas extinciones de foraminíferos, no llegó a producirse una extinción masiva. Lo que si se ha comprobado con otras investigaciones es que tuvieron lugar migraciones de grandes proporciones de animales y plantas a escala continental. (2)

La guerra por el hierro enfrenta a microorganismos y los seres a los que parasitan.

La guerra entre los microorganismos y los seres a los que parasitan lleva desarrollándose cientos de millones años. Como consecuencia de la misma, los organismos superiores han desarrollado complejos sistemas inmunes que los mantienen a raya. Sin embargo, la batalla directa contra los microorganismos no es la única que se ha producido. Como en todas las guerras, existen también batallas intensas por los recursos necesarios para sobrevivir. Así, los vertebrados han desarrollado sistemas para evitar la captura de nutrientes esenciales por parte de los microorganismos, lo que consigue frenar sui crecimiento. Uno de estos recursos es el hierro, mineral necesario para el trasporte de oxígeno en la sangre, pero también imprescindible para el crecimiento de las bacterias, que necesitan obtenerlo imperiosamente para reproducirse.

En condiciones normales, no existe hierro libre en los líquidos extracelulares de los vertebrados. El hierro se encuentra en el interior de las células, bien unido a la hemoglobina de los eritrocitos, bien unido a la proteína ferritina u otras proteínas del interior de las células. En el caso de que el la hemoglobina sea liberada con la muerte de los eritrocitos, esta es capturada por proteínas del suero, que impiden que el hierro se pierda en el exterior. Igualmente, el hierro liberado por otras células es capturado por la proteína transferrina del suero, lo que permite su captura por otras células a través de receptores específicos para la transferrina.

Sin embargo, en el caso de una infección bacteriana, las bacterias emplean varias estrategias para capturar el hierro que necesitan. Por ejemplo, las toxinas bacterianas matan a las células o lisan los eritrocitos, forzándolos así a liberar el hierro que contienen. Las bacterias pueden entonces captar este hierro por varios mecanismos, uno de los cuales es la captación de transferrina a través de un receptor bacteriano llamado Tbpa, lo que les permite incorporar también hierro en su interior.

Esta situación permite la generación de una batalla evolutiva entre la transferrina y la Tbpa. Así, por ejemplo, mutaciones de la transferrina que impidan su unión a Tbpa serán beneficiosas para el organismo y perjudiciales para la bacteria. Sin embargo, estas mutaciones tienen un límite, y ese límite es que no pueden causar la pérdida de la función de la transferrina. Por esta razón, las bacterias serán también capaces de mutar sus receptores de transferrina e intentar capturar la nueva variante mutante, para incorporar de nuevo hierro.

Para averiguar la extensión de la batalla evolutiva entre la transferrina y su receptor bacteriano en nuestra especie y otras cercanas, los investigadores Matthew F. Barber and Nels C. Elde, de la Universidad de Utah, en los Estados Unidos, analizan la secuencia de bases del gen de la transferrina en 21 especies de primates. El análisis de los datos con algoritmos estadísticos y probabilísticos les permite concluir que a lo largo de los alrededor de 40 millones de años que ha llevado la divergencia de estas especies de primates, la transferrina ha sufrido una selección positiva en algunos puntos, es decir, se han generado variantes de la misma por mutación que luego han sido fuertemente seleccionadas, posiblemente porque conferían un valor de supervivencia a los individuos portadores. Este valor de supervivencia proviene porque esas variables son captadas de manera menos eficaz por las bacterias, lo que frena su crecimiento en las infecciones. Este tipo de selección positiva por el momento solo había sido documentado en receptores de las células inmunes encargados de detectar a las bacterias: aquellas variantes que las detectan mejor son seleccionadas frente a otras que las detectan peor.

La transferrina e una proteína cuya forma es bilobulada: posee dos lóbulos llamado N y C. Pues bien, los investigadores encuentran que la selección positiva se produce principalmente en el lóbulo C y no en el N. Es decir, hay muchos más mutantes seleccionados positivamente que se han producido en el lóbulo CV que en el N. La razón, descubren sus estudios, es que es este lóbulo el que establece contacto con el receptor bacteriano Tbpa. En caso de que este receptor no pueda unirse a la transferrina, la bacteria no puede crecer.

Para estudiar más en profundidad las implicaciones funcionales de las variantes de la transferrina, los investigadores estudian la capacidad de unión de Tbpa de las bacterias Neiserria gonorrhoeae y Hemophilus influenza a la transferrina de varias especies de primates. Encuentran el sorprendente hecho de que mientras los Tbpa de ambas bacterias se une con fuerza a la transferrina humana, no lo hacen a la transferrina de chimpancés, orangutanes gibones y babuinos, aunque sí a la de gorila. Los investigadores descubren que estas diferencias radican sobre todo en la sustitución de un aminoácido por otro en la posición 591 de la cadena de transferrina. Así pues, ciertas bacterias no pueden infectar a algunos primates, pero sí a otros, debido a su capacidad o no de unir transferrina y captar hierro. Evidentemente, esta guerra molecular por el hierro no ha terminado, y es posible que nuevas variantes de transferrina y de Tbpa continúen apareciendo en esta batalla aparentemente sin fin.

Los investigadores apuntan a que sus resultados apoyan la llamada hipótesis de la Reina Roja. Esta hipótesis es bautizada así por unas palabras de la famosa Reina Roja de las novela Alicia a través del espejo, en la que dice, a Alicia: querida amiga, es preciso correr mucho para quedarse en el mismo sitio. En términos evolutivos lo que implica es que para muchas especies una adaptación continua es necesaria para mantenerse en equilibrio con las otras especies con las que está coevolucionando. La evolución de una especie es una fuerza de selección para las otras que interaccionan con ella. Esta idea es evidente en el caso de predadores y presas, por ejemplo, pero estos estudios indican que es también cierta a nivel puramente genético y molecular.

Además de ofrecernos nuevo conocimiento sobre las fuerzas que oiperan en la evolución, los estudios abre la puerta al diseño de proteínas o fármacos que bloqueen los receptores de transferrina bacterianos, pero no los humanos, lo que posibilitaría una herramienta más para la lucha contra las infecciones bacterianas.

(1). K. Altwegg, et al. (2014). 67P/Churyumov-Gerasimenko, a Jupiter family comet with a high D/H ratio.
http://www.sciencemag.org/content/early/2014/12/09/science.1261952.abstract

(2) Two massive, rapid releases of carbon during the onset of the Palaeocene–Eocene thermal maximum

(3) Matthew F. Barber and Nels C. Elde. (2014). Escape from bacterial iron piracy through rapid evolution of transferrin. SCIENCE. 12 DECEMBER 2014 • VOL 346 ISSUE 6215.