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ISSN 2248-4299 A ñ o 2017

VIDA SIN FRONTER A S revista de astrobiología y ciencias planetarias

VIDA SIN FRONTERAS es la revista de Astrobiologia y Ciencias Planetarias de la Universidad Nacional de Colombia y de los integrantes del grupo de Ciencias Planetarias y Astrobiologia (GCPA), a través de sus grupos de trabajo en Astrobiología (UNASB) y Ciencias Planetarias (Titan)

Apoyan: Programa Gestión de Proyectos Dirección de Bienestar Universitario Facultad de Ciencias Sede Bogotá

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Revista Vida Sin Fronteras Número 4 / ISSN 2248-4299 Revista de Astrobiología y Ciencias Planetarias.

Rector Ignacio Mantilla Prada Vicerrector Jaime Franky Rodríguez Director Bienestar Sede Bogotá Oscar Arturo Oliveros Garay Coordinadora Programa Gestión De Proyectos Elizabeth Moreno Director Bienestar Ciencias Luis Fernando Ospina Giraldo Decano Facultad De Ciencias Jaime Aguirre Ceballos Directora Departamento De Biología Consuelo Burbano Director Departamento de Geociencias Gustavo Sarmiento GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIAS PLANETARIAS Y ASTROBIOLOGÍA GCPA Director Luis Hernán Ochoa Gutierrez Codirectora Jimena Sánchez Nieves COMITÉ EDITORIAL Directora General Jimena Sánchez Nieves Segundo Director Luis Hernán Ochoa Gutiérrez Editora en Jefe María Angélica Leal Leal Editor Adjunto Juan Felipe Escobar Calderón División científica general David Tovar Rodríguez División científica astrobiología Hermes Hernán Bolívar Torres División científica ciencias planetarias Fabián Saavedra Daza Redacción Científica Byron Alexis Infante Hurtado

VIDA SIN FRONTERAS es la revista de Astrobiología y Ciencias Planetarias de la Universidad Nacional de Colombia y de los integrantes del grupo de Ciencias Planetarias y Astrobiología (GCPA), a través de sus grupos de trabajo en Astrobiología (UNASB) y Ciencias Planetarias (TITÁN) Contacto del grupo astrobiologia.un@gmail.com www.facebook.com/unalastrobio www.astrobiologiaun.es.tl http://bit.ly/2aorexD

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Respetado

LECTOR Es un gusto para nosotros presentarle el cuarto número de la revista Vida Sin Fronteras, una publicación del grupo de investigación en Ciencias Planetarias y Astrobiología (GCPA), el cual cuenta con el apoyo de sus grupos estudiantiles en Astrobiología (UNASB) y Ciencias Planetarias (TITÁN). Nuestro mayor interés es expandir estas ciencias a todo el público interesado, a través de la lectura de temáticas actuales en los diferentes campos y brindar perspectivas de investigación. Esperamos que el presente número sea de su agrado y despierte su interés en ahondar en las diferentes líneas que competen a las Ciencias Planetarias y la Astrobiología. Así mismo, agradecemos a la Dirección de Bienestar, quienes, por medio del Programa de Gestión de Proyectos, favorecieron e hicieron posible la realización del material que hoy llega a sus manos. De igual manera, agradecemos a la Facultad de Ciencias en su Dirección de Bienestar, así como a los diferentes docentes y administrativos de los departamentos de Biología y Geociencias por su apoyo durante el proceso de elaboración. Que esta lectura sea una invitación a que usted, nuestro lector, se pueda incorporar en un futuro como autor de nuestra revista. Cordialmente,

Comité Editorial Grupo de Astrobiología Universidad Nacional


ASTRO I C N O L O G Í A:

REVISIÓN SOBRE EL USO DE LA ICNOLOGÍA COMO HERRAMIENTA PARA LA BÚSQUEDA DE VIDA MÁS ALLÁ DE LA TIERRA ASTROICHNOLOGY: REVIEW OF THE USE OF ICHNOLOGY AS A TOOL FOR THE SEARCH OF EXTRATERRESTRIAL LIFE

Leidy Y. González H. Departamento de Biología Universidad Nacional de Colombia lygonzalezh@unal.edu.co

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Resumen La astrobiología, como ciencia interdisciplinar, se apoya en diferentes líneas de conocimiento para resolver una de sus más grandes preguntas: ¿Cómo encontrar vida en otros cuerpos planetarios? Aunque es difícil de responder, ya que no se conocen formas de vida diferentes a la nuestra, existe una disciplina capaz de ayudar a establecer de manera universal las estructuras que pueden ser producto de la vida: la Icnología. Esta rama de la paleontología estudia las estructuras biogénicas o marcas para definir el tipo de organismo capaz de fabricarla y su etología, mediante la aplicación de la biología comparada. Pese a que es un campo muy prometedor, sus metodologías se encuentran limitadas a cuerpos planetarios rocosos y con atmósferas poco densas, permitiendo dirigir los esfuerzos por aplicarla a nuestro vecino planetario: Marte. Una vez definido el posible candidato a realizar los estudios icnológicos y lo que se entiende como estructura biogénica, se deben tener en cuenta los instrumentos necesarios y las metodologías disponibles actualmente para realizar este tipo de estudios, concluyendo que no son tan diferentes a los que normalmente una sonda o rover ya tiene, haciendo aún más factible realizar un reconocimiento icnológico in situ para Marte. Palabras claves: Icnología, estructuras biogénicas, Astrobiología, Astroicnología, bioseñales.

Abstract Astrobiology, as an interdisciplinary science, can be supported by different kinds of knowledge to answer one of the greatest questions: How to find life in other planetary bodies? It is very difficult to provide a unique answer to this fundamental question, nonetheless, there is a discipline that can help to establish a universal way to recognize the structures that may be product of life: Ichnology. This field uses compared biology to study the biogenic structures or traces in order to find the trace maker and understand its ethology., Although ichnology is a promising methodology, it is very limited for rocky planets with low atmospheric density. Restricting its application to rocky planets and moons in our solar system, like Mars. When we can define the possible candidate for the ichonological studies and what is the biogenic structure, we might consider the equipment and methodologies that are available for this search, concluding that there is no significant difference between this and the ones installed on the rovers that had been send to Mars in the past, thus, making the iconological recognizing in situ will be plausible. Key words: Ichnology, biogenic structures, astrobiology, Astroicnology, Biosignature.


ASTROICNOLOGÍA: revisión sobre el uso de la icnología como herramienta para la búsqueda de vida más allá de la tierra

Introducción Uno de los principales fundamentos de la Astrobiología es la búsqueda de vida en cualquier cuerpo rocoso en donde sea posible la existencia de agua líquida (zona de habitabilidad) (Poffo & Gómez, 2001); no obstante, se enfrenta a un gran inconveniente: ¿cómo lucirían estas formas de vida?, ¿cómo reconocer que la estructura observada corresponde a una forma de vida? Para resolverlo, han nacido varias líneas estratégicas, entre ellas, el estudio de bioseñales, las cuales deben ser universales y tienen la limitante de estar ligadas a la forma de vida existente en la tierra, ya que es la única que se conoce. Las bioseñales son marcadores físicos y/o químicos, no producidos por procesos geológicos, producto del azar o por intervención humana, mas, son excelentes indicativos de la actividad biológica ya sea pasada o actual (Thomas-Keprta et al., 2002; Flores-Martinez, 2015); por lo tanto, una pequeña variación sobre la superficie planetaria captada remotamente desde la Tierra es considerada una señal y debe pasar por cierto criterios , a fin de poder ser catalogada como una bioseñal (ver Figura 1-1).

Figura 1-1. Modelo para la elección de un gas como bioseñal. Fuente: Información tomada, traducida y modificada de: Kaufman (2016, web) y Witze (2016, web).

La mayoría de los expertos en Astrobiología se han centrado en la búsqueda de bioseñales químicas, ya que son las más fáciles de detectar debido al espectro que emite cada cuerpo planetario; empero, así mismo, puede generar gran cantidad de falsos positivos, pues se ha demostrado que varias bioseñales, como por ejemplo el balance de O2/O3, producto de un proceso fotoquímico, puede ser producido de forma abiótica por dos vías: escape masivo de H, impulsado por la radiación UV, oxidadando el O2 hasta O3, o por la acumulación de O2 debido al escape de H en atmósferas pobres en N2, las cuales carecen de

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H2O en la tropósfera (Schwieterman et al., 2016). Para evitar seguir encontrando estos falsos positivos, se hace necesario cambiar de metodología y explorar otras opciones para la detección de vida en otros cuerpos planetarios, ya sea en nuestro sistema solar o en exoplanetas. Icnología y la búsqueda de vida en otros cuerpos planetarios Definición Para reconstruir la historia evolutiva en el planeta Tierra, los paleontólogos se han apoyado en la icnología, disciplina encargada del estudio de las marcas generadas por cualquier organismo y que, de alguna forma, demuestra su comportamiento (Hasiotis, 2014; Andrade-Flores, 2015). Esta se divide principalmente en dos: arqueoicnología, encargada de las marcas antiguas, ya fosilizadas, y la neoicnología, encargada de estudiar las marcas recientes, las cuales pueden ser complementadas con la observación directa del individuo que realiza la marca y, así, realizar estudios comparativos con la etología. La Figura 1-2 muestra uno de los sistemas de clasificación existentes para los icnofósiles, esta clasificación se basa en el comportamiento observado en la marca y se conoce como la clasificación etológica.

Figura 1-2. Clasificación de los icnofósiles hecha por Seilacher en 1953 según su comportamiento y el propósito de la marca. 1, 2 Repichnia: Reptación o desplazamiento; 3 Pascichnia: Forrajeo; 4, 5 Agrichnia: Cutivo; 6 Fodinichnia: Alimentación; 7, 8 Domichnia: Morada; 9, 10 Fugichnia: Escape; 11, 12 Cubischnia: Descanso. Fuente: Información tomada y modificada de Benton & Harper (1997) en “Classification Principles”, Figura 1.

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ASTROICNOLOGÍA: revisión sobre el uso de la icnología como herramienta para la búsqueda de vida más allá de la tierra

La icnología, al estudiar las marcas dejadas por una forma de vida en lugar del organismo como tal, puede ser de gran ayuda para “seguirle el rastro” a cualquier forma de vida análoga a la terrestre; Por ello, se hace necesario superar la incertidumbre de conocer solo un tipo de vida y expandir los horizontes de búsqueda, simplificando las marcas hasta el punto de poder aplicarla a cualquier marca generada por cualquier forma de vida termodinámicamente estable, independientemente de su forma, tamaño corporal, ambiente y comportamiento. ¿Qué buscar? Para saber exactamente qué buscar, comenzaremos por usar el término de estructura biogénica, aplicado en la icnología y cuya característica principal es que debe ser general, es decir, aplicable a cualquier ser vivo, ya que no solo depende del organismo que la fabricó, sino también del sustrato, el ambiente y el propósito o uso de la misma; por lo tanto, los organismos con planes corporales diferentes pueden generar estructuras biogénicas similares con los mismos propósitos y viceversa. Además, deben ser muy visibles, esto decir, se deben diferenciar fácilmente del sustrato que las contiene ya sea por color, forma, orientación o nivel de organización como ultraestructura. Como ejemplo de estructuras biogénicas, se encuentran los estromatolitos, estructuras generadas por la deposición de diferentes minerales, dando como resultado una roca sedimentaria en múltiples capas, las cuales corresponden a los tapetes microbianos “atrapados” dentro de los sedimentos: cada una de estas capas tiene diferente coloración producida por las ficobilinas presentes en las cianobacterias (Moreno-García, 2016) y por los diferentes componentes proteínicos y exopolisacáridos secretados por las bacterias como adhesión al tapete (Beraldi, s.f.). Las estructuras biogénicas pueden ser fácilmente detectables usando tecnologías ya existentes, dado que la recolección de información consistiría en la toma de fotografías de alta definición con alto contraste, algo que ya es posible en los rovers actuales, gracias a la optimización de espacio y pocos requerimientos, tanto de energía como de software especializado (Baucon et al., 2017). A pesar de haber definido qué buscar, esto sigue siendo un gran reto, dado que cualquier estructura biogénica detectada en la Tierra puede ser inmediatamente constatada con el estudio del individuo que la fabricó; en cambio, en otro cuerpo planetario –hasta el momento––– no es posible. Basados en esta premisa, la biología comparada se presenta como único recurso para inferir el plan corporal del individuo, capaz de dejar la estructura biogénica observada, eliminando por completo el esfuerzo de abstraer su concepto desde la icnología a su forma más general para evitar buscar formas de vida parecidas a la de la Tierra.

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Delimitando la búsqueda Para la búsqueda de vida en nuestro sistema solar, se pueden utilizar las sondas ya enviadas al espacio por las agencias espaciales, puesto que están equipadas con cámaras capaces de captar imágenes de alta resolución; no obstante, la icnología solo podría aplicarse a cuerpos planetarios rocosos y con atmósferas poco densas, delimitando la búsqueda a Marte, por ser el único planeta ubicado dentro de la zona de habitabilidad –aparte de la Tierra– en el sistema solar; a su vez, ya se ha demostrado que en su pasado tuvo agua líquida. Con respecto a la búsqueda en exoplanetas, esto es más difícil ya que, para capturar las imágenes, se requiere que la sonda se encuentre, como mínimo, orbitando el cuerpo planetario, algo imposible teniendo en cuenta la lejanía de estos. Aunque la icnología como ciencia nos ayuda a saber qué buscar, es una disciplina que requiere complementación con técnicas in situ, como la observación directa, la toma de moldes con resina, la perforación y la medición precisa de la estructura biogénica, ¿Por qué usar la icnología para la búsqueda de vida marciana? La icnología puede ayudar a establecer bioseñales universales, basándose en la hipótesis de la litopanspermia, en la que las moléculas necesarias para formar vida fueron transportadas, a través del espacio, en asteroides, y “sembradas” en los diferentes cuerpos planetarios, esto implicaría aceptar un único origen de la vida que fue entonces transportada a distintos lugares donde se desarrolló, por lo que sería razonable esperar cierto grado de similitud entre las hipotéticas estructuras biogénicas de distintos planetas. En otras palabras, si aceptamos la litopanspermia como posible mecanismo de origen de la vida en nuestro sistema solar, los estudios icnológicos realizados en Marte podrían compararse con las estructuras biogénicas encontradas en la Tierra, las cuales podrían considerarse, hasta cierto punto, análogas. En el planeta rojo ya han aterrizado varias sondas y rovers: Mars 3, Viking 1 y 2, Mars Pathfinder, Phoenix y Curiosity (“Todas las sondas de Marte”, 2014), estas sondas ya contaban con algunos instrumentos útiles para efectuar estudios icnológicos; a su vez, la realización de este tipo de estudios en misiones futuras no implicaría la adición excesiva de nuevo equipo o una modificación considerable de los diseños del instrumental.. Instrumentos necesarios para estudios astroicnológicos Baucon y su equipo de trabajo (2017) realizaron una recopilación de las características e instrumentos necesarios, con los cuales se debía equipar una sonda para poder recolectar y analizar muestras icnológicas: dicha sonda debería contar con una cámara de alta definición y alto contraste, un brazo mecánico, luz artificial, filtros de luz UV y fluorescencia, radar para penetrar el suelo (GPR, ground penetrating radar), LiDAR (Light Detection and Ranging), y un equipo básico de perforación con luz y cámara propias (ver Figura 1-3).

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Figura 1-3. Instrumentos necesarios para estudios icnológicos en la superficie marciana según Baucon et al. (2017). 1. Superficie; 2. Subsuelo. Fuente: Información tomada y modificada de Baucon et al. (2017, pp. 42-48)

Si se analizan las sondas ya enviadas a Marte, estas ya cuentan con un equipo básico para realizar estudios icnológicos en superficie: cuentan con un brazo mecánico para cavar a poca profundidad, con una cámara de alta definición y luz artificial controlada, además de tener tecnologías altamente especializadas de mapeo 3D. Como en marte se hipotetiza que puede haber vida en el subsuelo, por las condiciones hipersalinas y de alta radiación UV de la superficie marciana (Boyton et al., 2002), se hace necesario evaluar la posibilidad de búsquedas icnológicas en el subsuelo, lo cual requiere equipos especializados, como por ejemplo un taladro con cámara y luz propia, el cual es muy pesado y aun no se ha miniaturizado para poder incluirlo en una sonda. (Baucon et al., 2017) Conclusiones • A través de la icnología, se pueden establecer unos parámetros generales para la búsqueda de vida en el Universo; a su vez, si se analizan las metodologías y los equipos, hasta hoy empleados para el reconocimiento químico y geográfico de una superficie, se puede, también, elegir el planeta más factible para realizar este tipo de estudios. Sin embargo, la utilidad de los estudios icnológicos se basa en la asunción de la similitud entre los hipotéticos organis-

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mos de otros planetas y los de la Tierra. Esto es algo importante a tener en cuenta a la hora de analizar los resultados obtenidos por este tipo de estudios en el futuro, ya que no existe evidencia que soporte dicha similitud. • Las bioseñales pueden ser complementadas por la búsqueda de estructuras biogénicas, es decir, se pueden usar como herramientas para eliminar los falsos positivos químicos; aunque, debido al alcance tecnológico actual, solo sea factible para Marte. • Como se mencionó anteriormente, los estudios icnológicos en otros planetas tendrán que basarse en el conocimiento que tenemos sobre la vida en la Tierra. Por supuesto, esto solo tendrá sentido bajo ciertos escenarios, p.e., asumiendo como cierta la litopanspermia; pese a esto, es necesario entender que esta es una decisión metodológica ya que, en la actualidad, no se cuenta con suficiente evidencia que soporte esta explicación del origen de la vida. • Las sondas equipadas, que han sido enviadas a Marte y han aterrizado allí, necesitan pocas modificaciones especializadas para realizar reconocimientos icnológicos sobre la superficie; no obstante, para estudios de subsuelo, se requiere adicionar un taladro especializado con cámara y set de luces propias, lo cual es más complicado y poco factible por su peso.

Bibliografía

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“Classification Principles”. (s.f.). Recuperado de: http://bit. ly/2x7SXyq “Todas las sondas de Marte”. (2014, 4 de enero). En: Astronoo. El Universo en todos sus estados. Recuperado de: http://bit.ly/2exo37b Andrade-Flores, R. (2015, 20 de febrero). La Icnología, una rama poco conocida de la Paleontología. En: NMHM. Recuperado de: http://bit.ly/2xJm9bN2xJm9bN2xJm9bN2xJm9bN Baucon A., Neto-de-Carvalho, C., Barbieri, R. […] & Tuniz, C. (2017). Organism-substrate interactions and astrobiology: potential, models and methods. Earth-Science Reviews, 171, 141-1800. Beraldi, H. (s.f.). Estromatolitos. En: Instituto de geología UNAM. Recuperado de: http://bit. ly/2vZih4r2vZih4r2vZih4r Boynton, W. V., Feldman, W. C., Squyers, S. W. […] & ShinoharaShinohara, C. (2002). Distribution of Hydrogen in the near surface of Mars: evidence for subsurface ice deposits. SCIENCE, 297(5578), 81-85.


ASTROICNOLOGÍA: revisión sobre el uso de la icnología como herramienta para la búsqueda de vida más allá de la tierra

Flores-Martinez, C. LL. (2015L5). Convergent evolution and the search for Biosignatures within the solar system and beyond. Acta Astronautica. DOI: 10.1016/j.actaastro.2014.11.013. Hasiotis, S. (2014). KU Ichnology: Studying the Traces of Life. En: KU Ichnology. Recuperado de: http://bit.ly/2exNPZb2exNPZb2exNPZb Kaufman, M. (2016, 27 de julio). Coming to terms with Biosignatures. En: Many Worlds. Recuperado de: http:// bit.ly/2x4F4B2 Moreno-García, L. d. C. (2016). Estudio de la estabilidad de la C-Ficocianina (tesis de pregrado). Universidad de Almería, España. Recuperado de: http://bit.ly/2exQt11 Poffo, D. & Gómez, M. (2011). Evolución de la Zona de Habitabilidad Estelar. Actas de las Segundas Jornadas de Astrofísica Estelar (págs. 94-98). Tucumán: Asociacion Argentina de Astronomía. Schwieterman, E., MeadowsMeadows, V. S., Domagal-Goldman, S. D. […] & Barnes, R. (2016, 1 de marzo). Identifying planetary biosignature impostors: spectral features of CO and O4 resulting from abiotic O2/O3 production. The Astrophysical Journal Letters, 819(1)).) DOI: 10.3847/2041-8205/819/1/L13. Thomas-Keprta, K. L., Clemett, S. J., Bazylinski, D. A. […] &[…] & Romanek, C. S. (2002). Magnetofossils from Ancient Mars: a robust biosignature in the Martian Meteorite ALH84001. Appliedied and Environmental Microbiology, 68(8), 3663-3672. DOI: 10.1128/ AEM.68.8.3663-3672.2002. Witze, A. (2016, 27 de julio). Planet hunters seek new ways to detect alien life. En: Nature. Recuperado de: http:// go.nature.com/2adYd3x

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VIRUS DE ARCHAEA: UNA BREVE INTRODUCCIÓN A LA RELACIÓN VIRUS-HOSPEDERO Y LA DIVERSIFICACIÓN DEL ÁRBOL DE LA VIDA

Archaea Virus: a brief introduction to the virus-host relationship and the diversification in the tree of life

Dina Castillo Boukhchtaber Bióloga Universidad del Valle, Colombia Estudiante del Master oficial de Microbiología Universidad Autónoma de Madrid, España dina.castillo@estudiante.uam.es

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Resumen Los virus son, probablemente, una de las partes más intrigantes del mundo microbiológico. No se consideran seres vivos, pero están íntimamente relacionados con sus hospederos. Actualmente, una de las preguntas abiertas en la ciencia es cómo los virus llegaron a existir y si los genes virales provienen de las células o les preceden. Se han propuesto varias teorías para explicar el origen y la evolución de los virus, y cómo estos se integran en la filogenia de la vida que conocemos. Se considera que los virus han jugado un papel fundamental en los inicios y en la diversificación del árbol de la vida y son uno de los motores que impulsan la evolución de los sistemas vivos. Como un modelo de estas relaciones evolutivas, se mencionan algunos hechos poco conocidos de los virus de Archaea, así como algunas similitudes y diferencias con Bacteria y Eucaria. También se discuten algunas potenciales aplicaciones de los, previamente mencionados, sistemas virus-hospederos de Archaea en otros campos de investigación. Palabras clave: Virus fusiloformes, Archaea, árbol de la vida, origen viral.

Abstract Viruses, probably, represent one of the most intriguing parts of the microbiological world. They are not considered living beings, but are intimately related to their living hosts. One of the open questions nowadays in science is how the viruses came to exist and whether viral genes came from cells or precede them. Multiple theories have been proposed to explain viral origin and evolution, and how they integrate into the known life phylogeny. It is considered that viruses have played a crucial role in the beginnings of life and the diversification of the tree of life and are continuously pushing living systems to evolve. As a model of such evolutionary relationships, we expose a couple of non-widely known facts about the viruses of Archaea, as well as some similitudes and differences to Bacteria and Eucarya. In addition to that, a couple of potential applications of previously mentioned virus-host systems in other fields of knowledge are also discussed. Key words: fusiform virus, Archaea, tree of life, viral origins

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Introducción Los virus son agentes submicroscópicos infecciosos acelulares, los cuales han sido tema de debate en la ciencia, con respecto a su naturaleza viva o no viva. Por mucho tiempo, la teoría aceptada fue que los genomas de los virus derivan de los genomas de las células modernas: los bacteriófagos provienen de un genoma bacteriano y los virus eucarióticos de genomas de Eucaria. Según esta teoría tradicional, los virus se consideran “ladrones de genes” puesto que, al evolucionar, reconstruyen su información genética a partir de los genes celulares de los hospederos a los que infectan. No obstante, el principal contraargumento para esa hipótesis es que no existen proteínas homólogas en ninguna célula para todas las proteínas virales existentes, lo cual puede sugerir un origen independiente, que hayan sufrido procesos de divergencia a partir de líneas celulares que hoy en día están extintas o que simplemente no se han encontrado aún los organismos de los cuales obtuvieron esas proteínas desconocidas (Forterre & Prangishvili, 2009). Para entender mejor los procesos de origen y diversificación de los virus, es importante analizar los sistemas virus-hospedero, especialmente, en sistemas y organismos que, previamente, no hayan sido estudiados o de los que se tiene un conocimiento limitado, como es el caso de los virus de Archaea. Diversificación de los virus: el caso del dominio Archaea Aunque los virus no se consideren un organismo vivo, estos tienen una relación íntima y compleja con sus hospederos y han co-evolucionado con las distintas ramas de la vida (Moreira & López-García, 2009). Por lo que se considera que los mecanismos de replicación, trascripción y reparación de los seres vivos, en realidad, son de origen viral. Igualmente, se ha demostrado que la carrera armamentista entre virus y hospederos ha sido una constante presión evolutiva, la cual ha jugado un importante papel en la diversificación de la vida. Por ende, se puede considerar que los virus han tenido y tienen un rol evolutivo crucial dentro de la diversificación del árbol de la vida (Villareal & Witzany, 2010). Lo anterior, se puede ejemplificar utilizando los virus del dominio Archaea. En la última década, ha habido un creciente interés en estudiar estos virus, fundamentalmente diferentes en morfología y secuencias genómicas de los virus de los otros dos dominios de la vida. Los primeros virus de Archaea que han sido aislados y caracterizados morfológicamente eran semejantes a los bacteriófagos T4 y lambda ––cabeza icosaédrica, cola helicoidal contráctil y genoma de ADN de doble cadena–. A partir de esos estudios originales, se había concluido erróneamente que los virus de Archaea eran un subgrupo de estos fagos del dominio Bacteria; empero, estudios más recientes señalan que esta morfología es poco común dentro del dominio Archaea (Peng, Garrett & She, 2012).

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VIRUS DE ARCHAEA: una breve introducción a la relación virus-hospedero y la diversificación del árbol de la vida

Los virus de Archaea conocido hasta el momento son de ADN de doble cadena y presentan una alta variabilidad morfológica, incluyendo morfotipos exclusivos de este dominio –viriones lineales, esféricos, ramificados, en forma de gota, en forma de botella–. Además de diferir en su morfología, se ha demostrado, a partir de análisis genómicos, que la mayoría de los virus de Archaea no se relacionan filogenéticamente con ningún otro virus conocido (Prangishvil, Forterre & Garrett, 2006). El morfotipo vírico más común en Archaea, así como exclusivo para este dominio, es el de los fusiloformes –forma de huso–. Sus hospederos son muchas de las arqueas cultivables conocidas, como las hipertermófilas, halófilas extremas y metanógenas –de dos de los filos principales de Archaea: Euryarchaeota y Crenarchaeota– (Peng et al., 2012). Los virus fusiloformes se han clasificado en las familias Fuselloviridae y “Bicaudaviridae” (familia propuesta), siendo el género principal, el género Salteprovirus. La mayoría de las especies virales presentan un genoma circular, el cual contiene el gen de la integrasa, lo que facilita su integración al genoma del hospedero; mientras que la familia más estudiada, Fuselloviridae, infecta al género Sulfolobus de crenaqueotas hipertermófilas. El virus tipo es el SSV1 Sulfolobus –virus en forma de huso 1–, de genoma circular, positivamente enrollado, cuyo sitio de integración genómica es en el gen tARN del cromosoma hospedero (Prangishvili, 2013). Una característica, que llama la atención de estos virus, es que la composición, la estructura y la diversidad de las comunidades virales refleja la de sus hospederos. Asimismo, la diversidad y la ecología de las comunidades, tanto de virus como de hospederos, es semejante en las distintas localidades geográficas muestreadas en condiciones ambientales comparables. Este ejemplo es especialmente evidente al comparar muestras de fuentes termales de Islandia, la península Kamchatka en Rusia, el parque Yellowstone en EEUU e incluso las fuentes hidrotermales oceánicas (Prangishvil et al., 2006). Otra particularidad de los virus de arqueas es que, al igual que sus hospederos, parecen encontrarse en un punto evolutivo intermedio entre las bacterias y los eucariotas. Un mecanismo que comparten los virus, tanto de arqueas como de eucariotas, pero que está ausente en los bacteriófagos, es la capacidad de generar estructuras celulares específicas en la célula infectada. Esto se ha encontrado en una de las etapas del ciclo de vida del virus lítico SIRV2, el cual infecta crenarqueotas. Este virus genera cortes transversales en la envoltura celular e induce la formación de protuberancias de forma piramidal, como vías de salida para los viriones formados. La homología entre virus de los dos dominios es aún más grande, considerando que el SIRV2 es el único virus conocido de procariotas, capaz de transformar toda la célula hospedera en una fábrica viral, resultando en un virus con apariencia celular, un fenómeno que, anteriormente, solo se conocía para eucariota (Prangishvil, 2013). A pesar de ser dominios filogenéticamente cercanos, hasta la fecha no se han encontrado virus que infecten tanto Bacteria como Archaea; igualmente,

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los virus de los dos dominios presentan poca semejanza entre sí, con excepción de los ya mencionados virus de cabeza-cola. Incluso, para estos grupos, la similitud que presentan los virus es únicamente morfológica, siendo sus genomas completamente divergentes. La explicación de esta divergencia puede estar en la distinta composición molecular de las paredes celulares de los dos dominios – peptidoglucano en Bacteria y pseudopeptidoglucano o capa S proteica en Archaea– y en los diferentes mecanismos que se seleccionaron en los distintos grupos de virus para completar el proceso de infección (Pietila et al., 2014). Este paralelismo entre hospederos y virus, parece profundizar, aún más, la divergencia de los dos dominios que, en un principio, se consideraban un grupo morfológicamente único: los procariotas. En la actualidad, la teoría más aceptada para explicar los pocos genes homólogos específicos virales que comparten los virus de Archaea, Bacteria y Eucaria –en contraposición con una clara divergencia de gran parte de los genomas y estructuras– es que estos se han adquirido y se han conservado a partir de una sopa primordial de genes virales, la cual existió previo a la divergencia de los tres dominios de las células existentes. Esta teoría, sin embargo, entra en contradicción con las teorías más aceptadas sobre el origen viral, puesto que este no pudo haber precedido a las células ya que consideran que los virus provienen de una degeneración de la maquinaria celular y no como un predecesor de la vida (Bize et al., 2009). Aunque no se sepa con seguridad la explicación a la diversidad vírica y celular actual, estudios de sistemas virus-hospederos permiten indagar más sobre las condiciones del origen y la divergencia temprana de la vida. Aplicaciones del estudio de los sistemas virus-hospedero: Archaea El campo de investigación de los sistemas de virus-hospedero de Archaea ha tenido relativamente poco interés en la comunidad científica, por la aparente falta de aplicaciones prácticas de estos estudios y porque, hasta la fecha, no se han encontrado organismos patógenos del dominio Archaea. Los estudios de esos sistemas se han dado exclusivamente dentro del marco de investigación de ambientes extremos, con el objetivo de entender procesos evolutivos tempranos y para tener una visión más amplia de los procesos biológicos en los análogos terrestres para la detección de vida extraterrestre. Hoy en día, esta visión empieza a ampliarse, por lo que, a continuación, se mencionan dos inesperadas aplicaciones de las dinámicas de los virus, no solo en Archaea sino en otros microorganismos. En primer lugar, está el desconocido impacto ambiental que representan los virus en los ciclos de los nutrientes. Los virus son una de las mayores causas de muerte de arqueas y bacterias en el océano profundo, llegando a liberar hasta 500 millones de toneladas métricas de carbono, anualmente, en todo el mundo. Algo que se desconocía hasta más recientemente es que los virus matan desproporcionalmente más a las arqueas que a las bacterias (Danovaro et al., 2016).

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VIRUS DE ARCHAEA: una breve introducción a la relación virus-hospedero y la diversificación del árbol de la vida

Otros estudios recientes han demostrado que los virus interfieren en la captación del carbono en los océanos, dado que afectan el fitoplancton, secuestrando la maquinaria celular de géneros dominantes como Synechococcus y Prochlorococcus, y modificando la eficiencia fotosintética. Se estima que en un día se puede infectar entre un 1% y un 60% del plancton, lo cual se traduce en 5.39 mil millones de toneladas métricas de CO2 sin fijar al año, lo que equivale al 2.8% de la fijación de carbono mundial (Puxty et al., 2016). Las preocupaciones de las últimas décadas, relacionadas con el calentamiento global, llaman a la comunidad científica a estudiar estas dinámicas, antes no tenidas en cuenta para fenómenos de acumulación de gases de efecto invernadero. El segundo campo de aplicación de estudios de virus de microorganismos es en temas de sanidad y medicina. En los últimos años, se ha empezado a entender la importancia de la microbiota para la salud humana; no obstante, aún hay mucho desconocimiento sobre algunos grupos metabólicos y su función, como el caso de las metanógenas. Ni siquiera se ha establecido si estas son simbiontes humanos o están involucradas con enfermedades orales, intestinales y vaginales, puesto que los últimos estudios no son concluyentes. Por ende, si este grupo resultara siendo patógeno o sintrofo de patógenos, sería importante conocer una vía de control de los mismos, considerando que los antibióticos tradicionales ––como la penicilina, el bacitracin y la rifampicina––– no son eficientes contra arqueas, ya que tanto la pared celular, como los mecanismos de replicación de ADN y de síntesis de proteínas son fundamentalmente diferentes de los de bacterias. Actualmente, está en auge el estudio del uso de los virus como medida de control microbiano y solo entendiendo los mecanismos de interacción virus-hospedero es que se podrían proponer medidas de control eficientes (Dridi, Raoult & Drancourt, 2010). Conclusiones Es destacable la importancia que tuvieron los virus para la diversificación de la vida, pues la constante carrera armamentista entre virus y células ha sido un motor evolutivo que conllevó al desarrollo de defensas celulares y, consecuentemente, a la aparición de mecanismos virales para superar esas defensas. Esta pudo haber sido una de las principales causas en la distinción de las paredes y membranas celulares de Bacteria y Archaea, y, por ello, uno de los mecanismos que facilitó la diversificación de los tres dominios de la vida. Esta relación virus-hospedero no solamente ha sido importante en los orígenes de la vida, sino que es un fenómeno constante que afecta la evolución de todos los organismos que conocemos en la actualidad, ya que permite una rápida adquisición de nuevas características de forma vertical y horizontal, a través de los distintos grupos filogenéticos. Dentro de los sistemas víricos, uno de los menos conocidos es el caso de los virus de Archaea. Estos pueden considerarse un nuevo modelo de estudio,

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el cual aporta una perspectiva diferente con respecto a la naturaleza, la diversidad y la evolución de las interacciones virus-hospedero, dado que representan un punto intermedio de la evolución entre bacterias y eucariotas. Los virus de Archaea conocidos presentan una notable diversidad de morfotipos inesperados y complejos, con secuencias genómicas únicas, sin contraparte en los otros dominios de la vida. El estudio de los virus y sus hospederos no solo permite indagar sobre los orígenes y la diversificación de la vida en sus comienzos, sino también permiten ampliar las nociones sobre el tipo de patrones biológicos que deberíamos buscar fuera de la Tierra. Bibliografía

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PERCLORATOS Y SU IMPLICACIÓN PARA LA VIDA EN MARTE Jorge Andrés Torres Celis Geólogo Universidad Nacional de Colombia Integrante del Grupo de Ciencias Planetarias y Astrobiología Universidad Nacional de Colombia joatorresce@unal.edu.co

Resumen Recientemente, en investigaciones realizadas por Wadsworth y Cockell (2017), se encontró que producto de la interacción entre los percloratos y la radiación ultravioleta se producen efectos bactericidas en la superficie de Marte, lo que ha generado un fuerte impacto mediático con respecto a sus desastrosas consecuencias para el posible desarrollo de la vida en el planeta rojo; no obstante, aunque el efecto de esta combinación presenta un impacto adverso, existe gran diversidad de ambientes geológicos que pueden tener un alto potencial astrobiológico, así como diversidad de extremófilos y extremo tolerantes distintos a la bacteria Bacillus subtilis, tomado como modelo por los autores que podrían resistir el efecto bactericida descrito. Palabras clave: Percloratos, Marte, potencial astrobiológico.

Perchlorates and their involvement in life on mars

Abstract Recent research of Wadsworth and Cockell (2017) found that, the interaction between perchlorates and ultraviolet radiation produces bactericidal effects on the surface of Mars, which has generated a strong media impact about Its disastrous consequences for the possible development of life on the red planet; although, the effect of this combination has an adverse impact there is a great diversity of geological environments that may have a high astrobiological potential, as well as diversity of extremophiles and extreme tolerant different from the bacteria Bacillus subtilis, taken as a model by the authors who could resist the described bactericidal effect. Key Words: Perchlorates, Mars, astrobiological potential.

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Introducción Los percloratos son sales de ácido perclórico (HClO4), las cuales pueden estar acompañadas de iones como magnesio (Mg+), sodio (Na+), potasio (K+) y litio (Li+), y de moléculas como el amonio (NH4). Estas sales se producen naturalmente en procesos fotoquímicos en la atmósfera y, al caer sobre la superficie, en el caso terrestre, adquieren gran movilidad en las masas de agua. De manera análoga a los procesos de formación, en el caso del planeta rojo, estos depósitos se convierten en una herramienta para discernir la historia del planeta Marte, especialmente, en la distribución de cuerpos de agua en el pasado geológico del planeta, ya que estas sales son concentradas principalmente por evaporación. Los percloratos fueron detectados, por primera vez, en el lugar de aterrizaje de la Viking en el año 1976 (Clark et al., 1976; Clark et al., 1982; Clark & van Hart, 1981). Una representación de esto se encuentra en la Figura 3-1, donde se muestran los procesos oxidativos que, en teoría, podrían generar la presencia de percloratos, tanto en Marte (parte superior), como en la Tierra (específicamente el desierto de Atacama, parte inferior).

Figura 3-1. Procesos de formación de percloratos en Marte (a) y en el desierto de Atacama (b). Fuente: Catling et al. (2010, p. 4 de 15.

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Estas sales se encuentran en concentraciones elevadas de 0.4-0.6 wt%; esto fue determinado por el instrumento (SAM) del Rover Curiosity en el año 2015; posteriormente, su distribución ha sido ampliamente estudiado por el Mars Reconnaissance Orbiter, además de encontrarse una relación entre estos productos y los Recurring Slope Lineae (RSL), donde actúan en salmueras, siendo este un indicio de agua en estado líquido en la actualidad del planeta (Ojha et al. 2015).

Figura 3-2. Distribución espacial de los percloratos en el Ecuador y latitudes medias sobre la superficie de Marte según la concentración de cloro. Fuente: Keller et al. (2006, p. 4).

La importancia de los percloratos se debe a las claves geológicas, relacionadas con el pasado de Marte, puntualmente, los abundantes depósitos que se forman, producto de procesos de concentración d diversos elementos como el cloro, proveniente de la actividad volcánica y la alteración de rocas ígneas. Entre estos procesos se encuentra la actividad hidrotermal, fluvial, eólica y, principalmente, la evaporación de masas de agua (Banin et al., 1997; Bell et al., 2000; Clark & van Hart, 1981; Rao et al., 2005; Settle, 1979). Esto último permitirá conocer la distribución de estas masas en la superficie de Marte, teniendo en cuenta el control geomorfológico. Efecto bactericida de los percloratos Recientemente, se ha encontrado que producto de la interacción entre la radiación UV y los percloratos se genera un efecto bactericida (Wadsworth & Cockell, 2017); para ello, los investigadores realizaron diferentes ensayos de

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laboratorio utilizando, como modelo de control, el organismo Bacillus subtilis. Esta bacteria, usualmente, se encuentra en los exteriores de naves espaciales, lo que le confiere una condición de organismo extremo tolerante; encontrando una pérdida en la viabilidad de estos organismos en concentraciones similares de percloratos a las del planeta rojo (véase Figura 3-3) y una radiación de 254 nm al cabo de entre 30 y 60 segundos, este efecto varía al cambiar el medio en el que habitan los organismos por rocas, simulando un análogo marciano, estas condiciones aumentan la viabilidad de estos organismos parcialmente.

Figura 3-3. Efectos de la combinación de la radiación UV y el perclorato de Magnesio Mg(ClO4)2 sobre la viabilidad del organismo B. subtilis. Fuente: Wadsworth y Cockell (2017, p. 2 de 8).

A pesar de que este estudio mostraría una imposibilidad para el desarrollo de la vida en la superficie de Marte, no implica la viabilidad de encontrar vida en el planeta rojo; lo que sí nos asegura es una disminución en el riesgo de contaminación para la superficie del planeta, además de ayudar a descartar lugares de estudio y dar parámetros para refinar la búsqueda de vida en las futuras misiones. Ambientes geológicos con potencial astrobiológico Aunque sobre la superficie podría existir un efecto bactericida, esta no es la única opción de ambiente que debe tenerse en consideración; pese a que Marte no presenta una intensa actividad geológica, posee una diversidad de sitios de interés para la búsqueda de vida, los cuales deben ser tenidos en cuenta a la hora de plantear los objetivos de las misiones y sus respectivos protocolos, algunas de ellas se mencionan a continuación.

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Subsuelo Marte no posee un desarrollo de suelos, razón por la cual utilizamos el término regolito para referirnos a este, y la zona en mención empezaría posterior a la terminación del regolito, cuya profundidad puede variar en función de la región del planeta. El subsuelo posee diferentes características que lo hacen de interés, en este caso particular, corresponde a un gradiente térmico –10º C*Km, aproximadamente (Michalski et al., 2013)–, el cual sería de mayor favorabilidad que el de la superficie, el cual puede variar de –23ºC hasta -143ºC, aproximadamente–, este gradiente, junto a una mayor presión, puede favorecer la presencia de agua líquida subterránea, factor fundamental a la hora de buscar vida; adicionalmente, pueden existir remanentes de actividad hidrotermal, las cuales junto a los procesos de serpentinización generarían un flujo de elementos que podrían favorecer la actividad metabólica; todos estos factores podrían beneficiar una biosfera en el subsuelo (Michalski et al., 2013) (Ver Figura 3-4).

Figura 3-4. Modelo esquemático de las aguas subterráneas en Marte. Fuente: Michalski et al. (2013, p. 134).

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Regiones polares Las regiones polares de Marte son zonas de alta actividad geológica en función de los cambios estacionales; en ellos, ocurren diversos procesos relacionados con el hielo de agua –H2O(S)– y el hielo seco –CO2(S)–. La abundancia de agua en estas regiones, junto con la protección de la radiación que pueden ofrecer estos casquetes polares, genera un ambiente geológico adecuado. Peligros y beneficios en futuras misiones En altas concentraciones como las presentadas en el suelo marciano, los percloratos tienen efectos devastadores para la salud humana, puesto que dañan el funcionamiento de glándulas como la tiroides, además de afectar el metabolismo, razón por la cual se consideran altamente tóxicos. Todo ello se convierte en un factor a tener en cuenta a la hora de elaborar los protocolos de misión (Dávila et al., 2013). En contraste con estos efectos, los percloratos tienen un amplio potencial en la elaboración de combustibles para las naves, así como en la generación de oxígeno mediante síntesis química (Dávila et al., 2013); esto sería fundamental en el éxito de las futuras misiones que se emprendan.

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CONTEXTO Y PERSPECTIVAS DE LA ASTROECOLOGÍA DENTRO DE LA ASTROBIOLOGÍA Y LA EXPLORACIÓN ESPACIAL

Hermes Hernán Bolívar Torres Biólogo Universidad Nacional de Colombia Integrante del Grupo de Ciencias Planetarias y Astrobiología Universidad Nacional de Colombia hhbolivart@unal.edu.co

Context and perspectives of astroecology within astrobiology and space exploration

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Resumen La ecología, a través del estudio de la interacción de los seres vivos con el ambiente, ha permitido comprender la importancia de este último para nuestra supervivencia; es así como esta disciplina ha tomado importancia dentro de las ciencias del espacio, especialmente, en el desarrollo de misiones espaciales. Con el nacimiento de la astrobiología, apareció la astroecología, la cual está dirigida al estudio de las interacciones de los seres vivos, no solo en la Tierra, sino también en nuestro sistema solar, y a nivel interestelar, galáctico y cósmico. Esto por medio de las teorías ecológicas que conocemos. Es así como la astroecología podría dar aportes valiosos para el desarrollo de la astrobiología y la exploración espacial. Palabras clave: Astroecología, Astrobiología, Ecología.

Abstract The ecology, through of the study of life interactions with the environment, allow to understand the importance of it for our surviving. This discipline has gained importance within space sciences, especially in the development of space missions. With the birth of the astrobiology, appears the astroecology, which is leading the study of the life interactions not only on the Earth, but also in our Solar System, and an interstellar, galactic and cosmic level. This through the ecologic theories known. Then, the astroecology would give valuable contributions for the development of astrobiology and the space exploration. Key words: Astroecology, Astrobiology, Ecology.

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Introducción La Ecología es la disciplina encargada de estudiar la forma cómo los seres vivos interactúan con el ambiente (Hollar, 2012); y a pesar de que esta ha estado poco relacionada con las ciencias del espacio, la necesidad de adecuar las condiciones necesarias para que una tripulación pueda sobrevivir sin inconvenientes durante misiones espaciales llevó a la necesidad de realizar pruebas como BIOS 3 (Gitelson, Lisovsky & Tikhomirov, 1997) y Biosfera 2 (Allena & Nelson, 1999). Con el nacimiento de la Astrobiología a finales de la década de los 90, el rol de la ecología comenzó a ser más relevante, debido a la necesidad de incluir diferentes teorías ecológicas en temas de amplio estudio en la astrobiología, como lo son los ambientes extremos, y, en menor medida pero no menos importante, el estudio de los recursos naturales encontrados en nuestro vecindario estelar. Dando como resultado el nacimiento de la astroecología. El objetivo del siguiente artículo es dar a conocer algunas de las diferentes aplicaciones que se le ha dado a la Ecología dentro de la Astrobiología, así como los aportes que esta disciplina puede ofrecer en el futuro, con el desarrollo de la astroecología.

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El estudio de la astroecología Aunque el concepto de astroecología nació recientemente, el estudio de diferentes aspectos ecológicos dentro de la exploración espacial surgieron seguidos del nacimiento de esta última. La curiosidad frente a la tolerancia de los seres vivos en las condiciones hostiles del espacio llevó a preguntarse si los seres vivos que habitan la tierra pueden sobrevivir a la hostilidad del espacio exterior; así nació, también, la curiosidad por saber si en los demás planetas rocosos, vecinos de la tierra, podrían ser portadores de vida; sin embargo, los esfuerzos para encontrar vida en estos cuerpos han sido infructuosos y cuestionables en algunos casos. De otra parte, Mautner (2014) ha sido quien recientemente se ha encargado de estructurar la astroecología como una disciplina y ha ido más allá, mostrando el potencial de las diferentes teorías ecológicas, especialmente, las relacionadas con recursos presentes en meteoritos, asteroides, satélites naturales y planetas rocosos, los cuales pueden convertirse en biomasa, no solo en el nivel estelar, sino también en el nivel galáctico. En su revisión, Mautner (2014) muestra, como ejemplo, la siembra de plantas en partículas de meteoritos de tipo rocoso, conocidos mejor como acondritas. Su estudio en esta área aparece reportado desde finales de los noventa; ejemplo de ello, es el estudio realizado por Mautner et al. (1997), donde se usó extracto de meteorito y se aplicó a cultivos microbiológicos de Pseudomonas fluorescens, Anthrobacter pascens y Nocardia asteroides; así como a cultivos de plantas de Solanum tuberosum y Asparagus officinalis (ver Figura 4-1). Allí, se observó el potencial de los componentes de los meteoritos para el desarrollo de estos organismos.


CONTEXTO Y PERSPECTIVAS DE LA ASTROECOLOGÍA DENTRO DE LA ASTROBIOLOGÍA Y LA EXPLORACIÓN ESPACIAL

Gronstal et al. (2009) encontraron que algunas especies de bacterias poseen la capacidad de usar el hierro de meteoritos metálicos como sustrato, ampliando la posibilidad de uso de los meteoritos como recursos para la formación de biomasa.

Figura 4-1. Planta de espárrago creciendo en sustrato de meteorito. Fuente: Mautner (2014, p. 450).

No solo Gronstal et al. (2009) han estudiado el potencial de los meteoritos como posibles fuentes de nutrientes para el cultivo de plantas; Mahar, H. y Mahar, D. (2015) experimentaron con una roca denominada “tintina Stone”, considerada homóloga a meteoritos provenientes de Marte, tras la observación de la biota presente en la roca, se encontraron varias especies de microorganismos debajo de la misma, adheridas al sustrato rocoso así como a otras especies de plantas y animales a su alrededor. Aunque este estudio parece tener poca relación a nivel astrobiológico, intenta mostrar una aproximación de cómo iniciar la exploración de recursos potenciales en otros cuerpos del sistema solar, así como ya, con mayor recorrido, se estudian ambientes homólogos en la microbiología de ambientes extremos. El estudio de la hipótesis de la panspermia también es ampliamente abordado por Mautner en sus artículos, así también lo aborda de Souza Mendonça (2014) quien se ocupa, específicamente de la litopanspermia, en la cual describe cómo los meteoritos, asteroides y cometas podrían funcionar como vehículos que permiten el intercambio de moléculas necesarias para la aparición de seres vivos entre planetas; es así como este autor propone el uso de teorías como la ecología de metapoblaciones y la biogeografía de islas. Es aquí donde otras disciplinas nacientes, como la geomicrobiología, cobran protagonismo para el desarrollo de las diferentes teorías relacionadas

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con la astroecología, puesto que se hace necesario estudiar, no solo la composición geológica de otros cuerpos planetarios, sino su potencial como recurso para organismos vivos (Cockell, 2010). Otro aspecto que, si bien no ha sido abordado de forma directa por muchos autores e investigadores, mas, es un ejemplo claro de la participación de la ecología dentro de las ciencias del espacio, es el desarrollo de sistemas ecológicos cerrados. Los cuales tuvieron gran relevancia con los experimentos BIOS 3 y Biosfera 2 (ver Figura 4-2): el primer experimento se realizó desde inicios de la década de los 70 y sus instalaciones aun parecen estar operativas (Gitelson et al., 1997); mientras que, el segundo se desarrolló, principalmente, durante los años 1991 y 1993 (Allena & Nelson, 1999).

Figura 4-2. Instalaciones de BIOS-3. Fuente: “BIOS-3” (s.f., web).

Ambos experimentos se elaboraron con el objetivo de crear un ambiente completamente artificial, del cual una tripulación pudiera sobrevivir sin requerir de ningún apoyo del mundo exterior. Estos experimentos evidencian nuestras limitaciones para recrear el entorno biótico en el que vivimos y, a su vez, lo importante que es para nuestra supervivencia. Estas iniciativas son un claro ejemplo donde los conocimientos de la ecología pudiesen haber sido de gran utilidad para garantizar el éxito de estas investigaciones.

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La importancia de la ecología dentro de la astrobiología La relación de la Astrobiología con la Ecología ha sido distante; en cambio, donde sí se ha observado un mayor enlace entre estas dos ramas de la Biología, es en el estudio de ambientes extremos, donde la protagonista ha sido la ecología microbiana, ya que tanto la ecología como la astrobiología se acercan al tema con fines distintos. De una parte, la Astrobiología estudia los ambientes extremos con el fin de comprender el origen de la vida en el planeta y estudiar ambientes análogos a otros astros cercanos, tales como Marte y algunos satélites naturales de planetas gaseosos. De otra parte, la ecología estudia los ambientes extremos


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con fines más aplicativos y menos teóricos; esto en el marco de encontrar mecanismos de adaptación para el cambio climático. No obstante, la Astrobiología, cada vez más, acude a diferentes teorías ecológicas para estudiar y entender el fenómeno de la vida; los estudios ya mencionados son evidencia de ello.

Figura 4-3. Procesos en un “ecosistema temprano”. Fuente: Elaboración con base en Armstrong (2017) y Mautner (2014, p. 455).

De esta manera, las perspectivas de la astroecología son apoyar en la respuesta de los grandes interrogantes de la astrobiología y, en algunos casos, va más allá; así queda evidenciado en el texto de Armstrong (2017), donde se propone trabajar aspectos como la definición de la vida y su origen; este autor plantea la explicación de cómo aparecieron las primeras relaciones ecológicas dentro de los primeros procesos biológicos (Figura 4-3); de forma paralela, estudia la participación de la civilización humana, y su papel dentro de la vida y el cosmos, desde una perspectiva más filosófica y ética, las cuales, si bien no son abordadas desde el ámbito científico, son relevantes dentro de la Astrobiología como una ciencia transdisciplinar. Conclusión La astroecología aparece como una rama de la astrobiología, la cual aborda muchos de sus campos de trabajo y se establece como un soporte para el fortalecimiento de la astrobiología como disciplina. Por ello, la integración de diferentes teorías de la Ecología en la astrobiología ayudará en la interpretación de la vida como un fenómeno universal y no exclusivo del sistema solar. A pesar de que aquí solo se muestra una breve introducción a una gran cantidad de estudios que dan soporte a esta nueva disciplina, se observa cómo la integración de todas las ramas de la ciencia son necesarias para poder interpretar la complejidad del fenómeno vivo y responder, así, a esas grandes preguntas que la humanidad se ha planteado desde sus orígenes.

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RELACIONES ENTRE PLANTAS Y BACTERIAS PROMOTORAS DEL CRECIMIENTO VEGETAL (PGPR) EN CONDICIONES DE ESTRÉS CARACTERÍSTICAS DE AMBIENTES EXTRATERRESTRES

relationships between plants and plant growth promoting rhizobacteria under extraterrestrial like stress conditions Resumen A lo largo de la historia de la vida en nuestro planeta se han desarrollado múltiples relaciones entre los seres vivos, algunas que benefician a todos los involucrados y otras que solo benefician a algunos de ellos; relaciones de las que el ser humano hace parte y es dependiente. Dicha dependencia se hace evidente con el desarrollo de la exploración espacial y con las proyecciones de asentamientos humanos fuera de nuestro planeta. Algunas de las relaciones biológicas más relevantes para el ser humano dentro de la exploración espacial son las presentes entre plantas y microrganismo, relaciones que permiten hacer frente a condiciones de estrés, similares a las que se podrían encontrar en lugares como la Luna o Marte, pero que también permiten hacer frente a aquellas presentes en nuestro propio planeta. Palabras clave: Plantas, promotores de crecimiento vegetal, estrés vegetal, extremófilos.

Byron Alexis Infante Hurtado Estudiante Departamento de Biología Universidad Nacional de Colombia bainfanteh@unal.edu.co Abstract Throughout the history of the life in our planet, many relations have been developed between living beings, some of these benefits all the involved and others only benefits some of them, relations of which the humans also take part and are dependent. That dependence becomes clear with the development of the space exploration and the purposes of human settling outside of our planet. Some of the biological relations most important for humans within the space exploration are the ones existing between plants and microorganisms. These relations help organisms to deal with stress conditions like the ones encountered in the Moon or Mars, but also the ones present in our planet. Keywords: Plants, plant growth promoters, plant stress, extremophiles.

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Introducción Al comparar el planeta que habitamos con otros lugares del universo, no es difícil darnos cuenta de que vivimos en un lugar cercano a ser algún tipo de paraíso donde la vida ha logrado emerger y evolucionar a lo largo de casi 4000 millones de años. Aquí, no solo los seres humanos, sino una gran variedad de formas de vida han logrado establecerse y triunfar. Parte del éxito que muchas formas de vida tienen es consecuencia del establecimiento de relaciones entre diferentes seres vivos; dichas relaciones pueden ser provechosas para todas las partes que intervienen o solo para algunas de estas; los humanos también hacemos parte de estas relaciones y dependemos de ellas. Por ejemplo, una gran parte de nuestra alimentación se fundamenta, directa o indirectamente, en las plantas, así como una gran parte de los recursos que usamos a diario, como el papel, el algodón; incluso, una gran variedad de medicamentos. Los seres humanos somos tan solo una pequeña parte de una inmensa red de interacciones que conecta a una gran cantidad de seres vivos, llegando a depender, incluso, de otras formas de vida con las que jamás hubiésemos imaginado estar relacionados de algún modo, o de las cuales es posible que ignoramos su existencia; este es el caso de una gran cantidad de microorganismos que llegan a habitar dentro de nosotros en relaciones simbióticas. Del mismo modo, algunos microorganismos y otros seres vivos se encuentran relacionados. Cuando el ser humano se aventuró más allá de los límites terrestres, se hicieron aún más evidentes las relaciones directas e indirectas con los seres vivos de nuestro planeta, ya que de estas depende la subsistencia de nuestra especie. Algunas de las relaciones que se ven más resaltadas por estos sucesos son las que se tienen con fuentes de alimento que casi, de inmediato, permiten poner en evidencia la necesidad de involucrar las plantas como base para la alimentación en la exploración espacial. Rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPR) y condiciones de estrés En nuestro planeta, muchas de las relaciones mutuamente benéficas, existentes de forma natural entre plantas y microorganismos, también benefician redes tróficas entre las que se encuentra el propio ser humano, algunas interacciones han podido ser identificadas y con base en estas se han desarrollado técnicas aplicables al entorno agrícola para obtener diversos beneficios, en especial, sobre la vida vegetal, por ejemplo: facilitar el acceso a recursos minerales presentes en el suelo, un aporte extra de compuestos requeridos por la planta o una producción de fitohormonas que favorecen el crecimiento o la protección ante agentes peligrosos. Los microorganismos que intervienen en dicha relación se conocen como rizobacterias promotoras de crecimiento vegetal o PGPR (Vanegas et al., 2015). Se hace de gran importancia el identificar este tipo de relaciones y entender cómo se podrían dar en un ambiente no terrestre; por ejemplo, en condi-

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Relaciones entre plantas y bacterias promotoras del crecimiento vegetal (pgpr) en condiciones de estrés características de ambientes extraterrestres

ciones de microgravedad, con una mayor cantidad de radiación o en sustratos que puedan llegar a simular ambientes no terrestres de interés, como La Luna o Marte, puesto que estos dos cuerpos representan un foco de atención en la exploración espacial. Gracias a la investigación que se ha realizado en torno a estos cuerpos, ha sido posible identificar y recrear, con una gran similitud, la composición de sus respectivos regolitos. Esto ha facilitado, entre otros tipos de experimentos, pruebas biológicas que han involucrado el crecimiento de plantas y microorganismos (Wamelink et al., 2014). En dichas pruebas, no solo se ha buscado recrear la composición de un sustrato, sino también recrear otras características que influencian los procesos vitales, p.e., la escasez o ausencia de nitrógeno que pueda ser asimilado por plantas (NO3 y NH4). En la tierra, el nitrógeno apto para la asimilación vegetal proviene de varias fuentes como la mineralización de materia orgánica; la actividad biológica –la cual permite fijar dicho elemento en los suelos– y la actividad volcánica. Como consecuencia de la ausencia o escasez de materia orgánica en las superficies mencionadas, la oferta de este macronutriente se reduce a aquella que podría hacerse disponible por medio de la actividad volcánica; no obstante, cabe recordar que estos dos cuerpos, tanto la Luna como Marte son geológicamente inactivos (Monroe, Wicander & Pozo-Rodríguez, 2008). Otras condiciones a tener en cuenta son la presencia de compuestos nocivos para seres vivos como aluminio y cromo en sus superficies. Las condiciones de gravedad, incidencia de luz y temperatura son mucho menores a las experimentadas en nuestro planeta; en forma similar, las atmósferas muy débiles o casi inexistentes son condiciones características. Adicionalmente, aunque ambos cuerpos presentan agua en forma de hielo, no existe agua líquida en la Luna, mientras que en Marte es muy escasa (Wamelink et al., 2014). En el momento en el que ser humano quiera establecer asentamientos permanentes o semipermanentes fuera de nuestro planeta y que estos sean, al menos en parte, autosustentables, debe superar las barreras físicoquímicas anteriormente mencionadas, a fin de tener una producción de alimentos capaz de satisfacer, de forma adecuada, las necesidades humanas; en este proceso, las relaciones benéficas existentes entre plantas y microorganismos permitirán el desarrollo de estrategias cada vez más eficientes. Identificar relaciones en las que el microorganismo que interviene es extremófilo o extremo tolerante abre, a su vez, la puerta al desarrollo de nuevas posibilidades biotecnológicas, como consecuencia de la versatilidad de sus metabolismos (Balcazar, 2015) Las superficies de los cuerpos rocosos ya nombrados se encuentran completamente llenas de desafíos. Uno de los principales problemas, no solo para plantas sino también para cualquier forma de vida que sea llevada a estos lugares será el acceso a recursos hídricos. Aunque, como se mencionó anteriormente, en ambos cuerpos se tiene presencia de hielo, la presencia de agua líquida se limita al planeta rojo, donde existe en muy poca cantidad (Wamelink

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et al., 2014); pese a esto, trabajos como el de Kral, Bekkum y McKay (2003) han demostrado que algunas bacterias pueden llegar a sobrevivir a las condiciones de lugares como la Luna o Marte; incluso, que algunas de estas pueden presentar actividad como promotores de crecimiento vegetal. De este modo, el acercarse a estrategias para afrontar los obstáculos que se presentan al pensar en una producción vegetal y, con esta, la autonomía de asentamientos humanos fuera de nuestro planeta, se hace posible. Mayak, Tirosh y Glick (2004) lograron generar resistencia a la desecación en plantas de tomate y pimiento, al inocular las semillas de las mismas con cepas de rizobacterias obtenidas del desierto de Arava en oriente medio; estas presentan actividad de la enzima ACC desaminasa, la cual permite reducir la producción de etileno; en consecuencia, los efectos inhibitorios que tiene esta fitohormona relacionada con el estrés hídrico en el crecimiento vegetal cuando se encuentra en grandes cantidades. Un caso similar, en el que se hace frente a condiciones desfavorables para el desarrollo vegetal, proviene de los suelos volcánicos acidificados de Chile; aquí, Mora et al. (2017) aislaron cepas de PGPR resistentes a las altas concentraciones de Al3+ y aliviaron el estrés causado por la presencia de este factor en los sustratos de las plantas con las que estas se encuentra asociadas, formando sideróforos capaces de capturar el aluminio, mientras presentan otras actividades que promueven el crecimiento vegetal como la solubilización de fosfatos, la producción de ácido indolacético y la actividad de ACC deaminasa. Un último ejemplo, en el que se hace frente a una situación presente en la exploración espacial, proviene del aislamiento de cepas bacterianas que logran aliviar las condiciones de estrés en plantas provocadas por bajas temperatura y reducir los daños provocados por el congelamiento, al actuar sobre los biomarcadores del estrés vegetal provocado por bajas temperaturas y congelamiento, además de la producción de antioxidantes que impiden la degradación de componentes celulares como consecuencia de las bajas temperaturas. Estas cepas fueron obtenidas de muestras de suelo de una zona agrícola en Corea del Sur durante el invierno (Subramanian et al., 2016). Conclusiones El ser humano requiere de la interacción con otros seres vivos para lograr sobrevivir y lograr satisfacer necesidades como la alimentación o la obtención de materia primas; por esta razón, con el desarrollo de la exploración espacial, se requiere, igualmente, una producción vegetal que, en interacción con microorganismos promotores del crecimiento vegetal, sean capaces de sostener los grupos humanos participantes de los primeros asentamiento humanos fuera del planeta Tierra. El aislamiento de PGPR, proveniente de ambientes en donde las condiciones no son las más favorables para la mayoría seres vivos, permite aislar microorganismos extremófilos o extremo tolerantes adaptados a sus respec-

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Relaciones entre plantas y bacterias promotoras del crecimiento vegetal (pgpr) en condiciones de estrés características de ambientes extraterrestres

tivas condiciones de vida, mientras presentan una versatilidad metabólica que abre las puertas al desarrollo de estrategias biotecnológicas las cuales favorecen el desarrollo vegetal sin la intervención de fertilizantes agresivos para las plantas o el medio ambiente; de igual forma, logran ayudar a hacer frente a condiciones de estrés (Balcazar et al., 2015). Esta no es solamente una tecnología apropiada para la exploración espacial, ya que, también es aplicable en nuestro planeta, mejorando las oportunidades de alimentación de aquellas zonas afectadas por condiciones naturales o antropogénicas. Bibliografía Balcazar, W.W.W., Rondón, J., Rengifo, M., […] & Yarzábal, L. A. (2015). Bioprospecting glacial ice for plant growth promoting bacteria. Microbiological Research, 177, 1-7. Kral, T. A., Bekkum, C. R. & McKay, C. P. (20044). Growth of methanogens on a Mars soil simulant. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 34(6), 615---626. Mayak, S., Tirosh, T. & Glick, B. R. (2004). Plant growth-promoting bacteria that confer resistance to water stress in tomatoes and peppers. Plant Science, 166(2), 525530. DOI:10.1016/j.plantsci.2003.10.025. Monroe, J. S., Wicander, R. & Pozo-Rodrígues, M. (2008). Gases volcánicos. En: Geología. Dinámica y evolución de la Tierra (Cuarta Edición, pp. 124-125). Madrid: Cengage Learning. Mora, M. L., Demanet, R., Acuña, J., [...] & Durán, P. (2017). Aluminum-tolerant bacteria improve the plant growth and phosphorus content in ryegrass grown in a volcanic soil amended with cattle dung manure. Applied Soil Ecology, 115, 19-26. Subramanian, P., Kim, K., Krishnamoorthy, R., Mageswari, A., Selvakumar, G. & Sa, T. (2016). Cold stress tolerance in psychrotolerant soil bacteria and their conferred chilling resistance in Tomato (Solanum lycopersicum Mill.) under low temperatures. PLoS ONE,, 11(8): e0161592. DOI: 10.1371/journal.pone.0161592. Vanegas, J., Boyacá, J., Pantoja, L., […] & Barriga, O. (2015). Rizobacterias promotoras de crecimiento vegetal (PGPR). En: Leal, M (Ed.) Ecología Microbiana: Los Microorganismos y algunas de sus aplicaciones (pp. 7-34). Bogotá: Universidad Nacional de Colombia. Wamelink, G. W. W. Frissel, J. Y., Krijnen, W. H. J., Verwoert, M. R. & Goedhart, P. W. (2014). Can plants grow on Mars and the Moon: a growth experiment on Mars and Moon soil simulants. PLoS ONE, 9(8): e103138. DOI: 10.1371/ journal.pone.0103138.

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HIELO DESDE

LA TIERRA A PLUTÓN Ice from earth to pluto Yuri Tatiana Campo Rodríguez Estudiante de Geología Universidad Nacional de Colombia Integrante del Grupo de Ciencias Planetarias y Astrobiología ytcampor@unal.edu.co

Javier Eduardo Suarez Valencia Geólogo Integrante del Grupo de Ciencias Planetarias y Astrobiología Universidad Nacional de Colombia jaesuarezva@unal.edu.co

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Resumen Muchos de los cuerpos de nuestro sistema solar están hechos o contienen un porcentaje de hielo, esta sustancia, que en nuestro planeta es un mineral definido, cambia cuando nos adentramos en el espacio. Fuera de la Tierra, las masas gélidas varían en composición y estructura cristalina; estos cambios están sujetos a las condiciones de abundancia química, temperatura y presión con las que se formaron los hielos. Estas diferencias juegan un papel fundamental en la reología y estructura de los glaciares; Plutón es probablemente el mejor ejemplo de esta dinámica, ya que en su corteza, hielos de N2, CH4, CO y H2O interactúan entre sí, condicionando la reología y la forma de los cuerpos de roca, e incluso toda la dinámica de su superficie. Palabras clave: Hielo, cristalografía, cuerpos gélidos, mineral.

Abstract Many solar system bodies are made or have some percentage of ice in their compositions; this substance is considered a stable mineral in our planet, but these changes when we look toward space. Outside Earth, these gelid masses vary in composition and crystalline structure, these changes are conditioned by the chemical abundance, temperature and pressure under the ice take form. Such characteristics play a fundamental role in the rheology and structure of the glaciers; Pluto is probably the best example of this dynamic, because in his cortex, ices of N2, CH4, CO and H2O interacts with each other, ruling the rheology and the shape of the rock bodies, and even all the superficial dynamic. Key words: Ice, crystallography, gelid bodies, mineral.

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Introducción Hielo, esta palabra se repite incontables veces cuando hablamos del sistema solar, pues, es una parte fundamental en la estructura de muchos astros de nuestro vecindario; algunos tan pequeños como los cometas; otros medianos, como la luna gélida Europa y el planeta enano Plutón, y tan grandes como Neptuno y Urano, cuyos interiores están hechos, en gran parte, de agua en estado sólido. No obstante, cuando se habla de hielo no se dimensionan las variedades composicionales y mineralógicas que existen, así como su importancia en los procesos geológicos; por tanto, este artículo busca complementar la noción que se tiene sobre el hielo en el sistema solar y resaltar su importancia. Las sustancias sólidas de la naturaleza pueden clasificarse como minerales si cumplen ciertas características; estos minerales, a su vez, pueden tener variaciones en su composición y en la organización de sus átomos en estructuras cristalinas. Según la Agencia Mineralógica Internacional (IMA, por su nombre en inglés), el hielo se clasifica como un mineral debido a que: su fórmula química es definida (H2O), se forma naturalmente, es de origen inorgánico, es generalmente sólido y tiene una estructura cristalina que pertenece al sistema hexagonal. Además, el hielo presenta variaciones en las dos propiedades descritas, lo cual tiene un profundo impacto en los procesos geológicos y en la evolución, a través del tiempo, de los cuerpos en donde está presente (Dana, 1922).

Figura 6-1. Copo de nieve mostrando seis lados perfectos, los cuales representan el sistema cristalino hexagonal.

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Fuente: Libbrecht (s.f., web).


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Fuera de la Tierra El entendimiento que tenemos sobre el hielo necesita expandirse al analizar formaciones similares por fuera de nuestro planeta, ya que existen otros compuestos que, al presentarse en estado sólido, muestran una apariencia cristalina similar al hielo; entre ellas se encuentran el hielo seco (CO2), el hielo de nitrógeno dimolecular (N2), el hielo de CO y el de CH4. Sin embargo, en nuestro planeta, estas sustancias se encuentran solo en estado gaseoso, por lo que, para poder apreciarlas en estado sólido, sería necesario viajar a otros cuerpos del sistema solar, donde las capas gélidas difieren en su presentación. En algunos cuerpos, el hielo se encuentra limitado a las zonas donde la temperatura es lo suficientemente baja (polos o altos topográficos), y en otros constituye la corteza de todo un cuerpo. Resulta interesante cómo estos compuestos no se consideran minerales, incluso cumpliendo la mayoría de las condiciones, solo por el hecho de no ser estables en la Tierra, esto plantea preguntas acerca de la definición de “mineral” fuera de nuestro planeta. Un vistazo a Plutón Para poder encontrar estos tipos de hielo en condiciones ambientales, es preciso ir a sitios tan lejanos como el planeta enano Plutón (véase Figura 6-2); así, lo realizó la sonda “New Horizons”, que nos reveló una corteza constituida por hielos de N2, CH4, CO e incluso hielo de agua; los datos obtenidos permiten analizar las condiciones de estabilidad, bajo las cuales, estas sustancias permanecen en estado sólido, inclusive con diferentes sistemas cristalinos.

Figura 6-2. Vista del hemisferio visible de Plutón, toda la superficie está hecha de hielo. Fuente: Stern et al. (2015, p. 1815-4)

Las transiciones de fases son cambios estructurales que sufren los hielos y reflejan un cambio en sus propiedades termodinámicas y físicas, como la densidad. Los diferentes estados entre los cuales transitan las masas gélidas se denominan fases termodinámicas; por ejemplo, a altas presiones y/o bajas temperaturas, el hielo sufre diversas transiciones entre diferentes fases

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sólidas, caracterizadas por diferentes estructuras cristalinas (“Estabilidad y transacciones de fase de primer orden”, 2010), las cuales son representadas en diagramas de fase (Figuras 6-3 y 6-4).

Figura 6-3. Diagrama de fases de estabilidad del agua, con sus respectivos sistemas cristalinos. Fuente: Zhang (2015, p. 80)

Figura 6-4. Diagramas de fase para el CH4 y N2; la mezcla esperada en la superficie se muestra dentro del ovalo verde. Fuente: Tomado y modificado de Tegler et al. (2010, p. 37)

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Hielo de H2O A la temperatura y presión de Plutón, el hielo de agua está siempre en estado sólido (Figura 6-3), la temperatura no supera los 40 K y la presión atmosférica es de 1/100000 atm, dando paso a que el hielo de agua se organice en un sistema cristalino distinto a como lo hace en la Tierra, específicamente en el Sistema Ortorrómbico (XI) (Zhang et al., 2015). La cristalografía de un mineral está fuertemente ligada a los enlaces que presentan sus moléculas; para el caso del H2O, estas se encuentran unidas por enlaces covalentes y son muy resistentes debido a que la molécula de oxígeno atrae con más fuerza los electrones; esto también da, a la molécula, una carga negativa hacia un extremo, mejor conocida como molécula polar. Cuando el agua se encuentra en estado sólido, presenta enlaces de hidrógeno; estos son importantes debido a que cada molécula se enlaza con otras cuatro, creando una fuerte estructura cristalina. Esta propiedad resulta esencial para entender la geología de Plutón, puesto que los fuertes enlaces de las moléculas de H2O generan cuerpos de roca con una reología –respuesta de la roca, en este caso el hielo, a los esfuerzos– diferente al resto de los hielos presentes en Plutón. Las estructuras compuestas de hielo de agua reaccionan de manera frágil a los esfuerzos y presentan una contextura resistente, lo cual se refleja en la topografía plutoniana, y que contrasta fuertemente con las masas compuestas de nitrógeno y moléculas orgánicas, las cuales son más débiles debido a sus enlaces. Hielo de CH4 El metano en estado sólido se expresa en dos fases de estabilidad I y II en las condiciones superficiales de Plutón (véase Figura 6-4); en ambos casos, cristaliza en el sistema Cúbico y los hidrógenos en la molécula pueden rotar libremente; la principal diferencia entre ambos es una mayor fijación de los átomos en la fase II (Chapados & Cabana, 1972). La formación de cuerpos gélidos se da cuando las moléculas se juntan por enlaces de Van der Waals, los cuales son mecánicamente débiles (Mckinnon et al., 2016). Por un lado, las geoformas que el Hielo de CH4 crea no presentan topografías fuertes ni estrelladas; por otro lado, debido a su baja densidad –0.5 g/cm3–, no permite que el hielo de agua flote sobre él. Hielo de N2 En estado sólido, solo ha sido detectado en cometas, en la luna Tritón de Neptuno y en varios cuerpos del cinturón de Kuiper, incluido Plutón. Las condiciones de estabilidad y la reología del Nitrógeno tienen similitud con las del metano y se ha comprobado que, en Plutón, se encuentran mezclados; empero, a diferencia del CH4, el N2 tiene una densidad de 1 g/cm3, permitiendo que el hielo de agua flote sobre él.

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El N2 en estado sólido puede cristalizar en varias fases distintas, pero para el caso de Plutón puede estar presente en dos de sus fases: β y α. La fase β se caracteriza por ser de alta temperatura –45 K o más– y cristaliza en el Sistema hexagonal, mientras que la fase α es de baja temperatura –menos de 45 K– y cristaliza en el Sistema Cúbico (Fray & Schmitt, 2009). Se ha postulado una posible convección de N2 en el interior de Plutón con la presencia de la fase de alta temperatura β (Trowbridge et al., 2016), debido a que es factible que, a profundidad, se genere un aumento de temperatura por decaimiento radioactivo de isótopos en el interior de Plutón; esto, sumado a que el hielo de N2 es formado por la unión de enlaces de Van der Waals, mecánicamente débiles, genera una deformación dúctil a los esfuerzos, dando las condiciones que permiten la convección en Plutón. Hielo de CO En Plutón, se presenta en estado sólido, en menor concentración que el N2 y el CH4. Posee una densidad similar a la del Nitrógeno, por lo cual bloques de hielo de agua podrían flotar en una matriz de CO. Puede presentarse en dos fases sólidas en las condiciones ambientales de Plutón, la fase β de alta temperatura –60 K– podría estar presente en las profundas zonas de convección; mientras que la fase α es la que se encuentra estable en la superficie de Plutón. Conclusiones Al igual que el resto de minerales, los tipos de hielo presentan una gran variedad en cuanto a su composición y a las formas cristalográficas en las que puede presentarse, estas dos características son determinantes para la formación de los cuerpos de roca; dado que distintas variedades de hielo se forman en rocas con distintas temperaturas y presiones, dándoles a cada una de ellas propiedades específicas en cuanto a su textura, respuesta a los esfuerzos, tipos de alteración, asociaciones mineralógicas, disolución y consistencia. A través de los cuerpos del sistema solar, se presentan muchos tipos y variedades de hielo, cada uno exhibe topografías y geoformas únicas y características, como lo son las extensas planicies de nitrógeno en Plutón o las grandes fracturas en cuerpos de agua de Europa. La geología de cualquier cuerpo gélido solo podrá entenderse a ciencia cierta si también se entienden las propiedades de sus compuestos.

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Bibliografía “Estabilidad y Transiciones de fase de primer orden”. (2010). En: Termodinámica y Mecánica estadística I – Notas 2010 (pp. 97-113). Recuperado de: http://bit. ly/2eEngou Chapados, C. & Cabana, A. (1972). Infrared spectra and structures of solid CH4 and CD4 in phases I and II. Canadian Journal of Chemistry, 50, 3521-3533. Dana, E. S. (1922). A text-book of mineralogy with an extended treatise on crystallography and physical mineralogy. Nueva York: Wiley. Fray, N. & Schmitt, B. (2009). Sublimation of ices of astrophysical interest: A bibliographic review. Planetary and Space Science, 57(14-15), 2053-2080. DOI: 10.1016/j. pss.2009.09.011. Libbrecht, K. (s.f.). Cristal de nieve hexagonal. Recuperado de: http://bit.ly/2yK6b2h McKinnon, W. B., Nimmo, F., Wong, T., […] & Imaging Theme Team. (2016). Convection in a volatile nitrogen-ice-rich layer drives Pluto’s geological vigour. Nature, 534, 82– 85. DOI: 10.1038/nature18289. Stern, S. A., Bagenal, F., Ennico, K. […] & Zirnstein, E. (2015). The Pluto system: initial results from its exploration by New Horizons, Science, 350(6258). DOI: 10.1126/science.aad1815. Tegler, S. C., Cornelison, D. M., Grundy, W. M., […] & Thompson, Z. (2010). Methane and Nitrogen abundances on Pluto and Eris. The Astrophysical Journal, 725, 12961305. DOI: 10.1088/0004-637X/725/1/1296. Trowbridge, A. J., Melosh, H. J., Steckloff, J. K. & Freed, A. M. (2016). Vigorous convection as the explanation for Pluto’s polygonal terrain. Nature, 534(7605), 79-81. DOI: 10.1038/nature18016. Zhang, X., Sun, P., Yan, T., […] & Sun, C. Q. (2015). Water’s phase diagram: from the notion of thermodynamics to hydrogen-bond cooperativity. Progress in Solid State Chemistry, 43(3), 71-81. DOI: 10.1016/j.progsolidstchem.2015.03.001.

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PLANETAS EXTRASOLARES: UNA VENTANA DE ESPERANZA PARA LA HUMANIDAD 1

Extrasolar planets: a hope for humanity

Eduardo Mafla2 Lic. en Física Universidad Pedagógica Nacional eamaflam@gmail.com

Camilo Delgado-Correal Department of Physics and Earth Sciences University of Ferrara-IRAP delgado@fe.infn.it

Carolina von Essen Stellar astrophysics Centre - Aarhus University cessen@phys.au.dk

Este texto está dedicado a las mamás de los autores, quienes forjaron en nosotros la luz de la esperanza; esa misma luz que muestra cómo la vida se abre camino en el transcurso del tiempo. 1.

Nota de los autores: Este documento es una reproducción parcial del segundo capítulo de la tesis del primer autor para optar por su título de licenciado en Física, cuyos directores de tesis fueron los coautores de la presente nota 2.

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Resumen La búsqueda de planetas que se encuentren por fuera de nuestro sistema solar, por medio de diferentes métodos observacionales, como la astrometría, observación directa, velocidad radial, entre otros, ha hecho surgir la esperanza de encontrar planetas similares al nuestro y, posiblemente, encontrar vida. La zona de habitabilidad y la atmosfera son algunos de los factores que se tiene en cuenta para catalogar un planeta habitable. Lastimosamente y a pesar de que no se ha encontrado un planeta 100% igual a la Tierra, la búsqueda continua con el perfeccionamiento de los métodos de detección. Palabras clave: Exoplanetas, métodos de detección, zona habitable. Abstract The searching for planets that are outside of our solar system by using different observational techniques such as astrometry, direct observation, radial velocity and others, give us the hope to find planets with life in its interior. The position in the habitable zone and the atmosphere are some of the variables that define a habitable planet. Unfortunately and un spite of a planet 100% equal to Earth has not been found yet, the searching continues with the improvement of detection methods. Keywords: Exoplanets, detection methods, habitable zone.

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Introducción Durante muchos años, la humanidad, al mirar el firmamento y contemplar su majestuosidad, se preguntó si estamos solos en el Universo, si existe vida en algún lugar de ese cielo y si es así ¿por qué no tenemos evidencia de ello? Motivados por estos cuestionamientos, hace varias décadas, un grupo de astrónomos se dio a la tarea de detectar planetas fuera de nuestro sistema solar, los cuales orbitan en estrellas cercanas, conocidos como exoplanetas (Mayor & Queloz, 2012). Nuestro sistema solar, el cual se encuentra en la galaxia denominada Vía Láctea, está compuesto por una estrella y 8 planetas que orbitan alrededor de ella debido a su atracción gravitacional (International Astronomical Union, 2006). Nuestra galaxia tiene cerca de 100 mil millones de estrellas y, más aún, el Universo hospeda más de 100 mil millones de galaxias (Herschel, s.f.). Esto hace pensar en la existencia de otros sistemas solares, no necesariamente iguales al nuestro (Seager, 2009). Planetas extrasolares Los planetas extrasolares o exoplanetas son aquellos que orbitan en torno a otras estrellas distintas al Sol; por ello, forman parte de sistemas planetarios distintos al nuestro. Si la estrella huésped está previamente catalogada, el nombre del exoplaneta comienza con el nombre de su estrella. Si no, se nombran mediante el sistema de detección que los descubrió, más un número en orden creciente, indicando el orden de descubrimiento. Algunos ejemplos de estrellas que hospedan exoplanetas son Kepler-36, WASP-33, Qatar-1, etc. En ambos casos, al nombre del exoplaneta se le agrega una letra minúscula, ordenada alfabéticamente según el orden del descubrimiento del planeta en el sistema planetario y no su distancia a la estrella, empezando por la letra “b” (Rojas-Peña, 2012); los ejemplos de exoplanetas serían, entonces, Kepler-36b, c, d; WASP-33b, y Qatar-1b. En 1995, Michel Mayor y Didier Queloz, de la Universidad de Ginebra, dieron a conocer, a la comunidad científica y, sobre todo, a la humanidad, la existencia de planetas fuera del Sistema Solar, los cuales orbitaban estrellas muy parecidas a nuestro Sol, por medio de su descubrimiento denominado 51 pegasis b. Este fue el primer planeta detectado por el hombre en orbitar fuera del Sistema Solar, puntualmente, en la estrella Pegasi, ubicada en la constelación Pegaso, a 47.9 años luz del Sol (1995). En enero de 1996, R. Paul Butler, de la Universidad de California en Berkeley, y un investigador en la Universidad de San Francisco, anunciaron que habían hallado dos nuevos planetas en torno a una estrella similar al Sol (Lemonick, 2013). Así, desde el 2011, los astrónomos han descubierto un promedio de tres exoplanetas por semana. Algunos se encuentran en la zona de habitabilidad de su estrella, región en la cual la temperatura de un planeta es ideal para encontrar agua (Seager, 2009).

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PLANETAS EXTRASOLARES: una ventana de esperanza para la humanidad

En el justo momento en el que se escribe esta nota, se conocen 2951 planetas confirmados y 2503 planetas candidatos, para un total de 5454 planetas (“Exoplanets data explorer”, s.f.). Estos descubrimientos han impulsado a muchos jóvenes científicos a buscarlos, convirtiéndose en la especialidad astrofísica de moda. Para esto, se pusieron en marcha muchos proyectos como la red denominada Stellar Observations Network Group (SONG), dirigida por la Universidad de Aarhus, Dinamarca y en la que colaboran la Universidad de Copenhague y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC); todo ello, con el fin de encontrar planetas y estudiarlos para poder resolver interrogantes relacionados con la formación planetaria (Cruz & Coontz, 2013). Un resultado de esta búsqueda, que llamo la atención mundial, es el del telescopio robótico belga TRAPPIST (Ttransiting Planets and Planete-sImals Small Telescope) ubicado en el observatorio La Silla en Chile, con el cual se encontraron 3 exoplanetas en la estrella 2MASS J23062928-0502285, sumándose a los 4 que ya se conocía (este hecho hizo renombrar la estrella como TRAPPIST-1a). Estos 7 planetas son fascinantes por su similitud a la Tierra en tamaño y por estar localizados en la zona de habitabilidad (Howell, 2016).

Figura 7-1. Numero de planetas descubiertos por año. Fuente: NASA Ames/W. Stenzel, Princeton/T. Morton, en NASA (2016, web)

Métodos de detección de planetas extrasolares Los planetas no emiten luz propia, sino que reflejan parte de la luz que recibe de su estrella anfitriona. Esto hace que su observación sea difícil, ya que el brillo del planeta, con respecto al de la estrella, es muy sutil; es como tratar de ver una pequeña llama muy cerca de un incendio ubicado a kilómetros del observador. A pesar de esto, existen técnicas para la detección directa e indirecta; la mayoría de los métodos fueron previamente utilizados para el estudio de estrellas dobles (Campo-Diaz, 2012) y sus mejoras permitieron

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observar objetos de masa subestelar. A continuación, se detallan los métodos más usados para la detección de planetas fuera del sistema solar. Velocidad radial Este método mide el desplazamiento de las líneas espectrales de la estrella cuando se aleja o acerca en su movimiento en torno al centro de masa del sistema. Usando el efecto Doppler, se puede calcular la velocidad de alejamiento y acercamiento de la estrella, como se aprecia en la Figura 7-2. La detección de planetas alrededor de estrellas de muy baja masa, mediante el método de la velocidad radial (VR), se ve obstaculizada debido a que las longitudes de onda son débiles y la mayoría de los espectrómetros de alta precisión no pueden detectarlas. Una forma de solucionarlo es hacer medición en el infrarrojo, así se puede obtener la masa del exoplaneta que interactúa con la estrella (Reiners et al. 2010).

Figura 7-2. Velocidad radial. La estrella y el planeta se mueven en torno a su centro de masas. Si se aleja o se acerca la estrella con respecto al observador (Tierra), las líneas espectrales se desplazan al rojo (la estrella B se aleja) o al azul (la estrella A se acerca). También es posible observar el cambio de posición de la estrella con respecto al fondo. Fuente: Seager (2009, p. 19).

Astrometría Este método mide el cambio de posición de la estrella en su movimiento, en torno al centro de masa, como se muestra en la Figura 7-3. Esta técnica es más sensible en planetas masivos con órbitas lejanas a la estrella y que no se encuentren muy lejos de la Tierra (20-25 parsec), debido a las limitaciones en la calidad de observación. Así se logra determinar la masa del planeta y la inclinación de la órbita. Un punto en contra es que requiere de mucho tiempo de observación (décadas) para detectar el planeta y estudiar su periodo [4].

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Figura 7-3. Astrometría. Es similar a la técnica de la velocidad radial, donde se mide el movimiento de la estrella debido a la influencia gravitacional del planeta. Empero, la astrometría mide el movimiento de la estrella en el plano del cielo, en contraste con la técnica de la velocidad radial, que mide el movimiento de la estrella en la línea de visión. Fuente: Seager (2009, p. 43).

Método del tránsito Este método utiliza la variación de brillo observado de la estrella. Cuando un planeta transita frente a su estrella, desde la línea de visión de la Tierra se detecta una disminución de su brillo. Solo se puede ver si el planeta tiene un plano orbital que permita observar el tránsito desde la Tierra. Usando la curva de luz como se ve en la Figura 7-4 y conociendo el tamaño de la estrella, puede saberse el tamaño del planeta y la inclinación orbital. En combinación con el método de velocidad radial, se puede obtener la masa del planeta y, con su tamaño, su densidad promedio y una idea de la estructura interna (Seager, 2009).

Figura 7-4. Fotometría. Tránsito y ocultación planetaria y la curva de luz de la estrella. Cuando el planeta se oculta, el 100 % de la luz captada es de la estrella. Cuando el planeta transita frente a ella, se pueden notar variaciones leves (1-2 % para Júpiter calientes) de la luz. Fuente: Seager (2009, p. 40).

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Microlentes Gravitacionales La mayor parte de los planetas extrasolares son descubiertos usando los métodos de velocidad radial y de tránsito. Ambos están dirigidos hacia planetas relativamente cercanos a sus estrellas. Los estudios revelan que alrededor del 17 y el 30 % de las estrellas similares al Sol, albergan un planeta (Cassan et al., 2012). El método de microlentes gravitacionales, por otro lado, explora planetas que están lejos de sus estrellas. Este método usa un fenómeno predicho por la Teoría de la Relatividad General. Según esta teoría, la masa produce una curvatura en el tejido espacio-tiempo; por lo que, cuando un exoplaneta pasa por delante de una estrella diferente a su estrella anfitriona, los rayos de luz de esta, se desvían por efecto gravitatorio del planeta. Esto causa un pequeño aumento aparente en la luminosidad de la estrella (Campo-Díaz, 2012), ya que sus rayos de luz se concentran, de igual manera, que pasa con una lupa, como se ve en la Figura 7-5.

Figura 7-5. Microlente. Una estrella que pasa frente de una estrella alejada, actúa como una lupa, dirigiendo los rayos de luz a la Tierra. Fuente: Seager (2009, p. 42).

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Observación directa El método de observación directa puede ayudar a complementar las búsquedas realizadas con el método de velocidad radial. En primer lugar, contrario a la técnica de VR, las imágenes no dependen del tipo espectral de la estrella, la masa o la inclinación del sistema. En segundo lugar, puede poner a prueba los métodos de formación estelar. En tercer lugar, no requiere largos periodos de observación como el método VR, el cual necesita periodos mayores o iguales a 1000 días (Lagrange & Moutou, 2004).


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Los nuevos telescopios espaciales han permitido encontrar un gran número de cuerpos que cumplen con la condición de planeta. Aunque la razón de brillo es desfavorable en el rango visible, puede ser favorable en el infrarrojo, dado que una estrella típica es “solo” 1 millón de veces más brillante que un planeta en este espectro. La detección directa de la luz reflejada por los planetas aporta datos para conocer la composición atmosférica (Seager, 2009); además, mediante técnicas computacionales, se puede hacer visible a los exoplanetas, reduciendo el brillo de su estrella, como se evidencia en la Figura 7-6.

Figura 7-6. Observación directa. Tres exoplanetas orbitando la joven estrella HR 8799. Fuente: Marois et al. (2010, p. 562).

Planetas en la zona habitable Conociendo la distancia planeta-estrella, la radiación de la estrella y la reflexión de la radiación del exoplaneta, se puede calcular la temperatura de la atmósfera. Calculando la temperatura superficial de equilibrio, se logra definir, para una estrella, una zona en la cual, si un planeta órbita en ella, es posible encontrar agua en estado líquido en su superficie, como se ve en la Figura 7-7. Esta región se conoce como zona habitable del sistema planetario o zona de habitabilidad (Rojas-Peña, 2012).

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Figura 7-7. Zona de Habitabilidad. Comparación de los sistemas Kepler-452, sistema Kepler-186 y el sistema solar. Fuente: NASA/JPL-CalTech/R. Hurt. (2015, web)

A continuación, mencionamos las características de los exoplanetas potencialmente habitables más relevantes (PHL Team, 2015). (Véase Figura 7-8 para una lista más detallada) a. Kepler-438 b. Pertenece al sistema Kepler-438, situado a 472,9 años luz; su masa es de 1,27 Masas terrestres y está a una distancia de 0,1717 U.A. de su estrella principal; su periodo orbital es de 35,23319 días; presenta un índice de similitud con la Tierra del 88 %; fue detectado por el método del tránsito, y la masa de su estrella principal es de 0,54 Masas solares (Torres, Guillermo, et al. 2015). b. Kepler-296 e. Fue detectado por el método de transito astronómico; su semieje mayor es de 0,2060 U.A.; su masa es de 3,32 Masas terrestres y su periodo orbital es de 34,1423 días; su índice de similitud con la Tierra es del 85 %, y la masa de su estrella principal es de 0,45 Masas solares (Rowe, Jason F., et al, 2014). c. GJ 667C c. Fue descubierto el 21 de noviembre de 2011 mediante el método de velocidad radial; su masa es de 3,80 Masas terrestres; su periodo orbital es de 28,100 días; su semieje mayor es de 0,1250 U.A.; su índice de similitud con la Tierra es del 84 %, y la masa de su estrella principal es de 0,33 Masas solares(Anglada-Escudé, Guillem, et al. 2013).

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d. Kepler-442 b. Fue confirmado a principios de enero del 2015; su masa es de 2,34 Masas terrestres; su semieje mayor es de 0,3861 U.A., con un periodo orbital de 112,3053 días; la masa de su estrella principal es de 0,61 Masas solares, y su índice de similitud con la Tierra es del 84 % (Barnes, Rory and Meadows, Victoria S and Evans, Nicole, 2015 ). e. Proxima b. Su masa mínima es de 1.27 veces la masa de la Tierra, con un periodo de 11.2 días y un semieje mayor del orden de 0.05 unidades astronómicas; detectado por el método de velocidad radial usando datos acumulados de los instrumentos HARPS y UVES por 16 años (Goldblatt y Colin, 2016).

Figura 7-8. Representación artística del top de exoplanetas potencialmente habitables. Fuente: “Habitable exoplanets catalog” (2017, web).

Conclusión La investigación en la búsqueda de planetas extrasolares ha tomado mucha fuerza en las últimas décadas, hasta el punto de permitir descubrir planetas en la zona de habitabilidad y con dimensiones cercanas a las de la Tierra. Eso hace posible pensar que se obtendrá información más detallada de su composición química en escalas de tiempo humanas e incluso, no es descabellado pensar en visitarlos para las próximas generaciones.

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Bibliografía “Exoplanets data explorer”. (s.f.). En: exoplanets.org. Recuperado de: http://www.exoplanets.org/ “Habitable exoplanets catalog”. (2017). En: Laboratorio de Habitabilidad Planetaria (PHL). Recuperado de: http:// bit.ly/1qvrE8j Anglada-Escudé, G., Tuomi, M., Gerlach, E., [...] & Jones, H. R. (2013). A dynamically-packed planetary system around GJ 667C with three super-Earths in its habitable zone. Astronomy & Astrophysics, 556, A126. Barnes, R., Meadows, V. S., & Evans, N. (2015). Comparative habitability of transiting exoplanets. The Astrophysical Journal, 814(2), 91. Campo-Díaz, P. P. (2012). Dinámica de exoplanetas y exosatélites (Tesis de maestría). Observatorio Astronómico Ramón María Aller, España. Cassan, A., Kubas, D., Beaulieu, J.-P., [...] & Wyrzykowski, I. (2012). One or more bound planets per milky way star from microlensing observations. Nature, 481(7380), 167-169. Cruz, M. & Coontz, R. (2013). Exoplanets. Alien worlds galore. Introduction. Science, 340(6132). DOI: 10.1126/ science.340.6132.565. Goldblatt, C. (2016). Tutorial models of the climate and habitability of Proxima Centauri b: a thin atmosphere is sufficient to distribute heat given low stellar flux. arXiv preprint arXiv:1608.07263. Hatzes, A. (2016). Astronomy: Earth-like planet around Sun’s neighbour, Nature, 536(7617), 408-409. Herschel. (s.f.). How many stars are there in the Universe? En: ESA Science & Tecnology. Recuperado de: http://bit. ly/2iXRVyJ Howell, S. B., Everett, M. E., Horch, E. P., Winters, J. G., Hirsch, L., Nusdeo, D., & Scott, N. J. (2016). Speckle imaging excludes low-mass companions orbiting the exoplanet host star TRAPPIST-1. The Astrophysical Journal Letters, 829(1), L2. International Astronomical Union (UIA). (2006). IAU 2006 General Assembly: Result of the IAU Resolution votes. Recuperado de: http://bit.ly/2bVPJ6D Lagrange, A.-M. & Moutou, C. (2004). Direct imaging of extrasolar planets. Extrasolar planets: today and tomorrow, 321, 23-30.

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BIOTECNOLOGÍA DE CIANOBACTERIAS Y SU POTENCIAL APLICACIÓN EN LA EXPLORACIÓN ESPACIAL Cyanobacterial biotechnology and its potential application in space exploration

Marilynn Holguín Clover Bióloga Universidad del Valle Master oficial en Biotecnología Universidad Autónoma de Madrid marilynn.holguin@estudiante.uam.es

Resumen Las cianobacterias (previamente conocidas como algas verde-azules) son los únicos procariotas capaces de realizar fotosíntesis oxigénica, la cual es la liberación de oxígeno como subproducto de la fotosíntesis, como también lo hacen las algas eucarióticas y las plantas. Estos organismos aparecieron en la tierra hace 3.5 miles de millones de años y su larga historia evolutiva les ha permitido desarrollar una gran diversidad genética, morfológica y fisiológica, al igual que una versatilidad metabólica que les ha permitido ser exitosas en adaptarse a un amplio rango de hábitats y colonizar incluso, muchos ambientes considerados extremos. La extensa diversidad ha generado gran interés en las cianobacterias en la última década, especialmente por ser un recurso no explotado para las aplicaciones biotecnológicas. Por ende, el presente artículo explora estos usos biotecnológicos de las cianobacterias desde la producción de biomasa para comida y alimentos, hasta productos farmacéuticos, cosméticos, químicos refinados, agricultura, y aplicaciones en energía y ambiente. Por último, se indaga en las aplicaciones potenciales de las cianobacterias en el desarrollo de sistemas de soporte de vida y tecnologías en la exploración espacial, tales como las bases humanas en el planeta Marte. Palabras clave: cianobacterias, biotecnología, sistema de soporte de vida, exploración espacial, Marte. Abstract Cyanobacteria (previously known as blue-green algae), are the only prokaryotes capable of performing oxygenic photosynthesis, which is the release of oxygen as a by-product of photosynthesis as do eukaryotic algae and plants. These organisms appeared on earth around 3.5 billion years ago and their long evolutionary history has allowed them to develop a great variety of genetic, morphological and physiological diversity and a versatile metabolism that has permitted them to be successful in adapting to the wide range of habitats that they have colonized on earth, including many environments considered extreme. This enormous biodiversity has generated great interest in cyanobacteria in the last decade as untapped resources for applications in biotechnology. Thus, the present article explores the biotechnological uses of cyanobacteria ranging from biomass production for food to sources of products in pharmaceutics, cosmetics, fine chemicals, agriculture, energy and environmental applications, finishing off with the potential application of these in the development of sustainable life-support systems and technologies for space exploration such as man outpost on Mars.

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Keywords: cyanobacteria, biotechnology, life support systems, space exploration, Mars.


BIOTECNOLOGÍA DE CIANOBACTERIAS Y SU POTENCIAL APLICACIÓN EN LA EXPLORACIÓN ESPACIAL

Introducción Las cianobacterias son un grupo del dominio bacteria, que obtiene su energía de la fotosíntesis y cuyo nombre proviene del griego κυανός [kyanós] que significa azul en referencia a la coloración que le confieren sus pigmentos. Anteriormente, fueron clasificadas como “algas verde-azules” (eucariotas); sin embargo, gracias a pruebas moleculares y de ultraestructura (Stainer et al., 1978) se confirmó su naturaleza procariótica. Estos organismos son las únicas bacterias conocidas capaces de liberar oxígeno como subproducto de la fotosíntesis. Según el registro fósil revisado, aparecieron hace alrededor de 3.5 miles de millones de años sobre el planeta tierra (Schopf, 2010) y, debido a su capacidad fotosintética, se les atribuye la oxigenación de la atmósfera terrestre, al transformarla de anaerobia y reductora a una oxidante, un evento que ocasionó un cambio dramático en la composición de las formas de vida sobre la tierra. Este suceso llevó casi a la extinción de los organismos anaerobios existentes y, a la vez, a la creación de las condiciones atmosféricas de la tierra primitiva que favorecieron la evolución de la fotosíntesis eucariótica y de formas de vida aeróbicas metabólicamente más complejas (Thajuddin & Subramania, 2005; Stal, 2007). Dada su larga trayectoria evolutiva, las cianobacterias se encuentran entre las formas de vida más antiguas y más exitosas sobre la tierra. Han logrado colonizar un amplio rango de hábitats ecológicos, extendiéndose desde ambientes marinos y de agua dulce hasta ambientes terrestres como suelos y rocas, además de encontrarse en la mayoría de los nichos extremos tales como termales o bahías salinas e hipersalinas. Juegan, por lo tanto, un importante rol ecológico en diversos ecosistemas y en los principales ciclos biogeoquímicos globales como organismos productores primarios, fijadores de carbono y, en algunos casos, fijadores de nitrógeno atmosférico. Por su parte, las cianobacterias pueden presentarse en forma unicelular y filamentosa, cocoide o ramificada, incolora o pigmentada, y poseer un metabolismo de diversos tipos, ya sea autotrófico o heterotrófico, psicrófilo o termófilo, acidófilo o alcolófilo, planctónico o barófilo; también, se encuentran en estado libre o como endosimbiontes (Thajuddin & Subramania, 2005). La diversidad genética, morfológica y fisiológica que presentan las cianobacterias junto a su ubicuidad, flexibilidad metabólica y sus habilidades adaptativas a una diversidad de condiciones representa un enorme espectro de potenciales aplicaciones biotecnológicas, las cuales han despertado un creciente interés en las últimas décadas. Aplicaciones de las cianobacterias en la biotecnología Como es de esperarse los usos de las cianobacterias en los distintos campos biotecnológicos se encuentra en crecimiento. Las cianobacterias se están empleando desde la producción de biomasa para alimentos y suplementos nutricionales hasta productos farmacéuticos, cosméticos, químicos refinados, agricultura, y aplicaciones en ambiente y energía.

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En la industria alimenticia, se producen como alimento de alto contenido nutricional además de fuente de alimentos suplementarios como vitaminas, antioxidantes y enzimas (Grewe & Pulz, 2012), y como alimento para animales. Por otro lado, son una atractiva fuente de diversos compuestos activos, con actividades biológicas antibióticas, inmunosupresoras, anticancerígenas, antivirales, antiinflamatorias e inhibidoras de proteínas de gran interés farmacéutico. En la cosmética, se destaca la propiedad de estos microorganismos de superar la toxicidad causada por la radiación ultravioleta a través de compuestos absorbentes de luz UV, como los animo-ácidos semejantes a la micosporina y la scitonemina, los cuales se usan como protectores solares naturales. Dentro de los productos químicos de valor agregado que se pueden obtener de las cianobacterias se encuentran los pigmentos, y los biopolímeros (Rastogi & Sinha, 2009). Un ejemplo de estos últimos son los polihidroxialcanoatos, los cuales se encuentran acumulados por varias especies de cianobacterias y que puede ser utilizados como sustituto para los plásticos no biodegradables derivados del petróleo (Abed, Dobretsov & Sudesh, 2009). En campos de arroz, se han utilizado estás bacterias como biofertilizantes, principalmente, por la capacidad de algunas de fijar nitrógeno, y su habilidad de secretar sustancias con capacidades para unirse al agua y a la estructura del suelo, disminuyendo la erosión y excretando, además, fitohormonas que estimulan el crecimiento de las plantas (Grewe & Pulz, 2012). La producción de un amplio rango de toxinas por parte de las cianobacterias, denominadas cianotoxinas, podría emplease para el desarrollo de compuestos con aplicaciones como alguicidas, herbicidas e insecticidas naturales. En el campo ambiental, se han demostrado eficientes, en conjunto con otras microalgas y bacterias, en la detoxificación de contaminantes orgánicos e inorgánicos, como por ejemplo en la degradación de sitios contaminados por hidrocarburos y la remoción de nutrientes de aguas residuales, al aportar el oxígeno, las sustancias orgánicas y el nitrógeno requeridos para estos procesos, a su vez acoplados, en algunos casos, a la producción comercial de metabolitos microbianos. Las cianobacterias también son muy prometedoras como fuente alternativa de energía, produciendo, a partir de ellas, biocombustibles. Esto se puede lograr estimulándolas a producir hidrógeno bajo condiciones especiales (comercialmente disponible) (Rastogi & Sinha, 2009), alcoholes e isoprenoides, manipulando la producción de compuestos metabólicos secundarios, los cuales se pueden convertir en biodiesel o el uso de grandes cantidades de biomasa de cianobacterias para su combustión directa.

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Potenciales contribuciones de las cianobacterias en la exploración y tecnologías espaciales A pesar de los avances tecnológicos, la exploración espacial, tal y como el establecimiento de bases humanas en Marte, previstas para las próximas décadas, se encuentra determinada por los recursos que se pueden enviar desde la tierra. Esta limitante podría ser resuelta por la utilización de recursos in


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situ; no obstante lo anterior y a pesar de que la mayoría de plantas y microorganismos serían incapaces de esto, las cianobacterias, en cambio, debido a su naturaleza fotosintética, sus actividades de fijación de nitrógeno y sus estilos de vida litotróficas (capacidad de usar sustratos inorgánicos, generalmente, de origen mineral) podrían utilizar los recursos disponibles de Marte para crecer, considerando que se han encontrado en ambientes terrestres análogos a nuestro planeta hermano. Esto representaría importantes e innumerables aplicaciones en el desarrollo de bases humanas auto-sostenibles en Marte, tales como la alimentación de otros microorganismos de interés, el soporte del crecimiento de plantas, la producción de alimento, oxígeno y biocombustibles, además de otras aplicaciones como la biominería (Verseux et al., 2016). Conclusión Como organismos cosmopolitas y antiguos, que han colonizado la mayoría de ambientes terrestres mediante una diversidad de estrategias adaptativas, las cianobacterias han jugado un importante rol en la evolución y sostenibilidad de la vida en el planeta tierra, en los ambientes y en los ciclos biogeoquímicos actuales, además de ofrecer una amplia gama de aplicaciones biotecnológicas para la sociedad de hoy en día. Sin embargo, puede que la historia de estos microorganismos fotosintéticos no termine aquí y tengan aún algo más que revelarnos; un papel que jugar de la mano del ser humano en su exploración del espacio; poner a prueba los límites de la vida y atreverse a dar los primeros pasos hacia la colonización de otros cuerpos celestes.

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La revista de Astrobiología VIDA SIN FRONTERAS es de circulación anual, formato impreso en blanco y negro; cuyo objetivo es la divulgación de la Astrobiología, para personas conocedoras de ciencia. Por tal razón, los artículos deben ser de carácter científico, para público especializado; sin ser totalmente técnicos, considerando que debe ser accesible para otras áreas del conocimiento.

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ISSN 2248-4299 A ñ o 2017

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VIDA SIN FRONTERAS es la revista de Astrobiologia y Ciencias Planetarias de la Universidad Nacional de Colombia y de los integrantes del grupo de Ciencias Planetarias y Astrobiologia (GCPA), a través de sus grupos de trabajo en Astrobiología (UNASB) y Ciencias Planetarias (Titan)

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