El lago Vostok y la luna Europa

Vostok es el nombre de un lago situado en la Antártida Este, a unos 1.500 Km del polo sur. Sus proporciones, cerca de 250 Km. de largo por 50 Km de ancho y una profundidad máxima de 600 m, lo sitúan dentro de los 15 lagos más grandes del mundo. Si bien este hecho no resulta demasiado llamativo, una de sus características le confiere por si misma una importancia singular: el lago Vostok se asienta bajo 4.200 m de hielo.




Dibujo de la situación del lago Vostok


Si el lago estuvo alguna vez en contacto directo con la atmósfera, esa conexión concluyó hace cerca de 30 millones de años.  Sus sedimentos deben contener un registro único del clima antártico antes de la llegada de los hielos, cuyo estudio podría revolucionar la ciencia sobre este continente. Puede haber vida en sus aguas, un ecosistema indígena sobreviviendo con pocos recursos, sin luz solar, cuyos organismos habrían desarrollado adaptaciones exclusivas debido al total aislamiento de Vostok.
Se presenta además como un magnífico laboratorio de pruebas para el desarrollo de tecnologías orientadas a la búsqueda de vida fuera de la Tierra. A 820 millones de Km del Sol, Europa, la cuarta luna más grande de Júpiter es hoy en día uno de los lugares más prometedores en la búsqueda de evidencias de actividad biológica extraterrestre. Y Vostok es, sin duda, el modelo más cercano al medio ambiente de Europa que nuestro planeta nos puede ofrecer. El conocimiento de las estrategias que emplean los microorganismos del lago Vostok para sobrevivir nos ayudará a determinar qué tipo de vida podríamos encontrar en Europa y cómo hay que buscarla. Su exploración será como llevar a cabo una misión espacial y temporal sin moverse de nuestro planeta.
La corteza terrestre irradia calor lentamente; éste pasa a la atmósfera y acaba por disiparse en el espacio. En la Antártida esta pérdida es impedida por una barrera de aislamiento muy efectiva: un escudo de hielo de miles de millones de toneladas. Mientras la superficie del hielo se mantiene a temperaturas extremadamente bajas, en la base, calentada desde abajo, la temperatura es en algunos lugares lo suficientemente alta como para fundir el hielo formando lagos y otras reservas de agua líquida.
Los lagos superficiales antárticos, conocidos desde hace tiempo, constituyen verdaderos oasis para la vida. Esta se presenta en su mayor parte como tapetes microbianos formados por bacterias fotosintéticas de diversas especies que viven en el lecho de los lagos y constituyen la base de a cadena trófica. Existen otras especies heterótrofas especializadas en el reciclado de recursos que cierran este ecosistema sencillo y poco exigente. El conjunto se mantiene gracias a que, aunque la superficie está helada, llega suficiente cantidad de luz como para asegurar la producción primaria. Liberados de la presión de predación a que se ven sometidos en otros lagos, gracias a su aislamiento, estos tapetes extraen nutrientes del agua y crean una ecología estratificada simple, pero floreciente, en los sedimentos lacustres.
Las condiciones del lago Vostok son, sin embargo, totalmente distintas. No existirán tapetes microbianos fotosintéticos en la total oscuridad de sus aguas, sepultados bajo 4 Km de hielo. El agua estará más fría que en los lagos superficiales y la presión será inmensa, en torno a las 200 atmósferas. Sin embargo, esto no significa necesariamente que no exista vida en sus aguas. De hecho, lo realmente sorprendente sería que no la hubiese, tratándose de una masa de casi 5.000 Km cúbicos de agua líquida situada en el planeta Tierra.
Si Vostok fue en un tiempo un lago superficial antes de que el hielo cubriese el continente, los organismos de ese ecosistema pudieron encontrar un forma de sobrevivir a las nuevas condiciones. El análisis del hielo superficial por encima del lago muestra una cierta cantidad de bacterias con un metabolismo muy bajo, algunas de las cuales son viables y están presentes también en otros lugares de la Antártida. Estos microorganismos podrían haber sido capaces de llegar al lago, hundiéndose lentamente a través de la capa de hielo con cada nuevo depósito de nieve, cuyo peso les llevaría cada vez a mayor profundidad en un proceso muy lento. Podrían entonces escapar del hielo, salir de su fase de latencia y adaptarse a las nuevas condiciones, pasando a convivir con los microorganismos indígenas que habrían evolucionado en este ambiente en el transcurso de los últimos 30 millones de años.
Tanto si la colonización biológica del lago se remonta al mismo momento de su formación, como si fue posterior, las limitaciones en cuanto al aporte de nutrientes, renovación de recursos, total aislamiento y condiciones físicas restrictivas que impone su medio ambiente les habrá modelado hasta adquirir unas estrategias únicas de supervivencia, esto es, de adquisición de energía.
Podrían usar distintos compuestos químicos, en lugar de luz solar, como donadores de electrones para sus rutas metabólicas al igual que hacen otras bacterias quimiolitotróficas de las fuentes hidrotermales submarinas.
Tal y cómo las pruebas apuntan, parece probable la existencia de agua líquida bajo la gruesa capa de hielo que cubre Europa. Debido a la excentricidad de su órbita en torno a Júpiter, Europa sufre un efecto de marea que produce una fricción capaz de generar el calor suficiente para mantener un océano interior de forma estable.

Europa, satélite de Júpiter.

Esquema del interior de Europa.

Un ejemplo palpable de la eficacia del efecto de marea para producir calor es el vulcanismo extremo de Ío, otro satélite de Júpiter situado más cerca de este que Europa.

Imagen de la superficie de Ío, completamente cubierta por volcanes.

El mismo calor que hace de Ío el cuerpo con mayor actividad volcánica del Sistema Solar, podría manifestarse en Europa en forma de actividad geotérmica, originando surgencias de fluido hidrotermal cargado de minerales de forma similar a cómo ocurre en los océanos de la Tierra.

Esquema de como actuaría la actividad geotérmica en Europa bajo la capa de hielo superficial. En la imagen de la derecha habría un estrato intermedio de hielo fluido.

Distribuidas por los fondos marinos de la Tierra se encuentran comunidades muy activas de invertebrados cuya subsistencia está asegurada por la actividad de microorganismos extremófilos que viven e torno a fuentes hidrotermales que surgen en las grandes profundidades. Se han localizado esas surgencias de agua caliente en distintos puntos del fondo del océano Atlántico y del océano Pacífico. Estos manantiales están asociados a centros de expansión del fondo oceánico dónde el basalto y el magma calientes hacen que el fondo se vaya separando lentamente. El agua de mar que se filtra por las grietas en esas zonas se mezcla con minerales calientes y vuelve a salir a gran presión.
Se conocen dos tipos principales: fuentes templadas, que expulsan fluido hidrotermal a temperaturas de 6 a 23ºC (en agua de mar que está a 2ºC) y fuentes calientes, que desprenden el fluido a 270-380ºC y son conocidas como “chimeneas negras”. Los análisis químicos del fluidos hidrotermal ha demostrado la existencia de gran cantidad de compuestos químicos reducidos, incluyendo H2S, Mn2+ y NH4+ , además de CO2 y CO.

Fuente hidrotermal submarina

El dióxido de carbono, que se encuentra disuelto en gran abundancia en el agua de mar, es transformado en materia orgánica por bacterias quimiolitotróficas, y éstas forman la base de una pirámide de un ecosistema muy simple en el que se encuentran invertebrados cómo gusanos, almejas gigantes e incluso mejillones. Si nos alejamos algunos metros, fuera del radio de influencia de éstas formaciones, la actividad biológica es prácticamente nula.

Riftia pachyptila, gusano tubícola de las fuentes hidrotermales submarinas

Kiwa hirsuta, también llamado Cangrejo Yeti de las fuentes hidrotermales.

Alviniconcha sp, caracol de las fuentes hidrotermales submarinas descubierto en el año 2011.

Las especies como el gusano tubícola o el caracol de la imagen viven gracias a la simbiosis con bacterias quimioautotrofas presentes en sus branquias que son capaces de captar los minerales procedentes de las fuentes hidrotermales. No existe contacto alguno de este ecosistema con la producción fotosintética de la superficie. En lo que se refiere a estos animales, el sol podría apagarse sin que a ellos le afectase lo más mínimo.
También hay presencia de procariotas hipertermofílicos (Bacterias cuya temperatura óptima de crecimiento se sitúa entre 80ºC y los 100ºC) de varios tipos en el gradiente de agua de mar-fluido hidrotermal que se forma cuando el agua extremadamente caliente se mezcla con el agua fría del mar, observándose colonización y crecimiento de microorganismos bacterianos a temperaturas entre 125ºC y 140ºC. Estas bacterias toleran, además, condiciones extremadamente ácidas, al igual que otros géneros que viven en solfataras de la superficie, en Islandia o el Parque Nacional de Yellowstone.

Las variaciones en el campo magnético del satélite Europa registradas por la sonda Galileo concuerdan con una naturaleza salada del océano que actuaría como fluido conductor de la electricidad para producir dicho campo magnético. Otras mediciones de tipo espectrográfico demuestran la presencia de ácido sulfúrico (H2SO4) , sulfato magnésico (MgSO4) y compuestos del hierro en la composición de las zonas mas obscuras del hielo superficial. Las distintas especies de bacterias aisladas de fuentes hidrotermales submarinas emplean distintos donadores de electrones tales como H2S, S, H2SO3 y Fe2+, por lo que podrían encontrar en Europa un hábitat acorde con sus características.
Así mismo, de los datos gravimétricos se desprende que la superficie rocosa de Europa está emparedada entre un núcleo central de hierro y una corteza externa de agua. Si se tiene en cuenta el intervalo de valores probables de la densidad del núcleo de hierro y del manto de roca, la capa de agua vendría a alcanzar un grosor de entre 80 y 170 Km, resultando verosímil cifrarla en unos 100 Km. de los que una buena parte serían agua líquida. Este hecho haría que los organismos que viviesen sobre el fondo europiano tuvieran que estar adaptados a las grandes presiones generadas por la enorme columna de agua.
De muestras tomadas en el mar de nuestro planeta, a una profundidad de 10.000 m, se han obtenido bacterias barófílas extremas. En una cepa estudiada detalladamente se observó un crecimiento máximo a una presión de 700 - 800 atm y pudo crecer hasta una presión de 1035 atm. Teniendo en cuenta que la gravedad de Europa es sensiblemente inferior a la de la Tierra, siendo su masa 0.66 veces la de nuestra Luna, las presiones ejercidas sobre el fondo difícilmente llegarían a las 1.000 atm, por lo que no constituiría un factor limitante para la vida.
Pero además de las fuentes hidrotermales submarinas podrían existir otras posibilidades para generar el desbalance químico o flujo de entrada de nutrientes necesario para sostener unas hipotéticas poblaciones microbianas.
La intensa radiación iónica proveniente de los cinturones de radiación de Júpiter que incide sobre la superficie de Europa, alteraría la estructura de los compuestos químicos que están presentes mezclados con el hielo superficial, arrebatándoles electrones y transformándolos en radicales terminales libres, altamente reactivos, que se hundirían lentamente con la renovación de la superficie de Europa y  llegarían a la capa de agua líquida subyacente quedando listos para ser usados como combustible biológico. En la Tierra, el principal flujo de entrada de energía es la luz solar, que es captada por plantas, algas y bacterias fotosintéticas. Sin embargo, dados los elevados requerimientos bioquímicos y la complejidad de las reacciones que intervienen en la fotosíntesis, no parece probable que fuese ésta la primera estrategia de adquisición de energía en aparecer en la historia de la vida sobre la Tierra. Aunque sin duda es el carácter ilimitado de la energía del sol lo que ha llevado a la profunda transformación de nuestro planeta y ha permitido la evolución de formas de vida cada vez más complejas hasta llegar a la enorme biodiversidad que encontramos en la actualidad.

Un ecosistema global basado en la oxidación-reducción de compuestos químicos estaría gravemente limitado por la disponibilidad de estos, lo que impondría muchas dificultades para la evolución de formas de vida más complejas y en consecuencia con mayor tasa metabólica y mayor demanda de nutrientes.

Los microorganismos europianos podrían haber desarrollado pigmentos de estructura similar a la clorofila pero adaptados para captar los flujos de electrones que surcan su océano y son responsables del campo magnético de Europa.

La hipótesis es la siguiente: En lugar de aprovechar la energía de los fotones para, mediante la excitación de pigmentos fotosensibles, crear una corriente de electrones que sustente el metabolismo, podrían captar directamente los electrones del medio mediante moléculas quimiosensibles.

Si esto fuera posible, estaríamos ante un flujo de entrada de energía de suficiente entidad como para empezar a pensar que en Europa pudiese haber algo mas que bacterias. Quizá permitiese la aparición de algún tipo de células eucariotas (células con núcleo diferenciado) similares a las terrestres, que surgieron de la endosimbiosis de bacterias de diferentes tipos, y cuya complejidad y diferenciación permitió la aparición de los organismos pluricelulares.

Al igual que Europa, otras lunas heladas como Encelado, Ganímedes o Titán, ofrecen similares perspectivas para la investigación astrobiológica debido a la posibilidad de albergar grandes masas de agua líquida bajo su superficie helada y procesos geológicos activos.

Detalle de la superficie helada de Encelado, satélite de Saturno.

Imagen de Ganímedes, luna de Júpiter.

Imagen infrarroja de Titán, satélite de Saturno que además cuenta con una densa atmósfera rica en hidrocarburos.