Explicación a uno de los misterios más antiguos de la naturaleza

Se ha descubierto cómo las cianobacterias, primeros organismos fotosintéticos de la Tierra, se autoorganizan en intrincadas esteras, desentrañando uno de los misterios más antiguos de la naturaleza.

Publicado en Communications Physics, un nuevo estudio de la Universidad de Loughborough y la Universidad de Nottingham Trent revela cómo estos microorganismos pasan de estados aleatorios y desorganizados a patrones entrelazados que forman "bioesteras", lo que revela los principios fundamentales detrás de este fenómeno natural.

Las cianobacterias son un antiguo grupo de microorganismos con fósiles que datan de hace dos mil millones de años. Fueron las primeras formas de vida en la Tierra capaces de realizar la fotosíntesis, lo que contribuyó a la creación de la atmósfera rica en oxígeno del planeta, lo que hizo posible la vida compleja.

Hoy en día, las cianobacterias siguen siendo uno de los grupos de bacterias más grandes y más importantes, y desempeñan un papel vital en el mantenimiento del equilibrio de nuestra atmósfera y océanos. Proliferan en prácticamente todos los ambientes acuáticos del planeta, incluidos los lagos helados de la Antártida.

"Las cianobacterias son omnipresentes en cualquier masa de agua: mar, lagos, ríos", explica en un comunicado el Dr. Marco Mazza, experto en física del desequilibrio de la Universidad de Loughborough. "Producen la mayor parte del oxígeno que respiramos y forman una de las bases de la cadena alimentaria en el océano. Entender cómo construyen sus biomantos puede ayudarnos a aprender sobre su papel en una variedad de ecosistemas, proporcionar pistas sobre los entornos antiguos donde la vida evolucionó por primera vez y también inspirar nuevos materiales para uso humano".

Aunque diminutas, las cianobacterias pueden formar colonias llamadas "biomantos", que son visibles a simple vista. Estos biomantos a menudo aparecen como un limo verde resbaladizo, comúnmente conocido como "algas verdeazuladas", y se pueden encontrar en agua estancada, lechos de ríos y a lo largo de las costas.

Los biomantos se forman cuando Las cianobacterias se unen entre sí para crear filamentos similares a hilos. A medida que aumenta su número, estos filamentos, capaces de moverse por las superficies, se entrelazan formando patrones intrincados que forman la estructura de la bioestera.

Sorprendentemente, una bioestera del tamaño de una hoja A4 puede aparecer en cuestión de horas o días y puede contener cientos de millones de cianobacterias.

La razón por la que las cianobacterias filamentosas se entrelazan es para mejorar su supervivencia, ya que las bioesteras proporcionan estabilidad y protección esenciales. Una vez formada, la colonia funciona como una unidad cohesiva, capaz de reorganizar su estructura en respuesta a los cambios en el flujo de agua, la disponibilidad de luz o los niveles de nutrientes, lo que garantiza la resiliencia incluso en condiciones difíciles.

Los investigadores de la Universidad de Loughborough y la Universidad de Nottingham Trent han estado trabajando juntos para tratar de comprender cómo los filamentos de cianobacterias se organizan en los patrones que se ven en las bioesteras.

Utilizando técnicas avanzadas de microscopía, simulaciones y modelos teóricos, el equipo reveló previamente que cuando las cianobacterias están presentes en una densidad suficientemente alta, comienzan a organizarse en patrones siguiendo unas pocas reglas simples.

Los investigadores desarrollaron un modelo para mapear este comportamiento y su nuevo estudio compara las predicciones del modelo con experimentos del mundo real.

El equipo cultivó un tipo de cianobacteria llamada Oscillatoria lutea y, utilizando un microscopio de escaneo láser de alta resolución, capturó cómo los filamentos interactúan y se autoorganizan a diferentes densidades, y cómo se desarrolla una biocapa con el tiempo.

Los resultados muestran que el modelo captura con precisión cómo los filamentos de las cianobacterias pasan de un estado aleatorio y desorganizado a patrones intrincados, similares a una red, con el paso del tiempo. Captura con éxito tanto las primeras etapas de la formación de patrones como el desarrollo de estructuras estables a gran escala.

La investigación también revela que la densidad y la motilidad (capacidad de moverse) de los filamentos de las cianobacterias desempeñan un papel crucial en la formación de patrones, y que los patrones más organizados y estables surgen cuando la densidad y la motilidad de los filamentos son altas.