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Las profundidades del mar carecen de vida vegetal, lo que requeriría luz solar para producir alimento. Sin embargo, incluso sin la luz solar que alimenta la vida en la superficie de la Tierra, las criaturas de las profundidades marinas tienen adaptaciones que les permiten hacer de este hábitat su hogar, incluidas aquellas para cazar, alimentarse de materia en descomposición e incluso albergar bacterias que pueden producir alimentos sin luz del sol.

Las plantas desempeñan un papel fundamental en el mantenimiento de la vida en la Tierra al proporcionar una gran cantidad de recursos esenciales. Lo hacen utilizando la energía del sol para provocar elaboradas reacciones químicas que nos proporcionan alimento y oxígeno. Sin embargo, las profundidades del océano, un misterioso y profundo abismo que abarca más de dos tercios de la superficie de nuestro planeta, presentan un desafío único. La luz del sol sólo llega a los 200 metros más altos del océano, donde es posible la fotosíntesis. Más abajo comienza el mar profundo, que es un mundo de presión aplastante, frío y oscuridad total. Estas condiciones son tan extremas que parecen inhóspitas para la vida…

¡Pero no es así! Hemos encontrado allí un ecosistema próspero, repleto de organismos fascinantes, aunque extraños.

Entonces, ¿cómo puede sobrevivir la vida en las profundidades del océano sin luz? ¿Hay plantas ahí abajo que produzcan alimentos?

La superficie del océano recibe mucha luz solar, mientras que las profundidades están completamente privadas de luz (Créditos: ArtesiaID/Freepik)

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El océano profundo y oscuro: un entorno hostil

El océano profundo se refiere a áreas a una profundidad superior a los 1.000 metros de la superficie del océano. A esa profundidad, la luz del sol no logra penetrar, lo que resulta en una oscuridad total. Esto contrasta marcadamente con los exuberantes y abundantes ecosistemas vegetales que se encuentran en muchos otros entornos de nuestro planeta.

El océano profundo generalmente se divide en varias zonas, donde las zonas batial, abisal y hadal representan los reinos del crepúsculo, la medianoche y las trincheras, respectivamente. La Zona Hadal se extiende a una asombrosa profundidad de 6.000 metros.

En estas zonas, la vida se ve muy diferente de lo que vemos más cerca de la superficie, tanto en la tierra como en el agua, ya que las condiciones difieren mucho. En las partes más profundas del océano, como la Fosa de las Marianas, la presión puede alcanzar la asombrosa cifra de 15.000 psi (libras por pulgada cuadrada), que es más de mil veces mayor que la presión atmosférica al nivel del mar. En la Zona Abisal, las temperaturas pueden rondar los 2-4°C (36-39°F), mucho más frías que las aguas superficiales. Además de esto, los nutrientes (incluidos elementos esenciales como el nitrógeno y el fósforo) suelen ser limitados en las profundidades del océano. Sin un suministro adecuado de nutrientes, los organismos enfrentan desafíos cuando se trata de sostener los procesos vitales.

Zonas oceánicas. La Zona Epipelágica recibe mucha luz solar. Por debajo de eso, la cantidad de luz solar disminuye constantemente y la Zona Hadal no recibe luz solar. (Créditos: Chris eh, K. Aainsqatsi/Wikimedia Commons)

La falta de luz solar y minerales, las inmensas presiones y las bajas temperaturas (entre otras condiciones) le han dado a la vida que existe allí una serie de adaptaciones únicas. Sin embargo, estas condiciones extremas significan que las plantas, la mayoría de las cuales necesitan luz solar para prosperar, están ausentes.

Ahora bien, sin plantas y sus confiables procesos de fotosíntesis, ¿cómo obtiene alimento la vida en las profundidades de los océanos? ¿Qué constituye la base de la red alimentaria de las profundidades marinas?

Quimiosíntesis: un proceso sin luz

Para compensar la ausencia de luz solar, los organismos de las profundidades marinas han aprovechado una ingeniosa fuente de energía alternativa conocida como quimiosíntesis. Este proceso sintetiza los alimentos utilizando moléculas inorgánicas presentes en las profundidades del mar como fuente de energía primaria, a diferencia de la fotosíntesis, que depende de la luz solar. Esto permite que los organismos prosperen en ambientes extremos, incluidos respiraderos hidrotermales, filtraciones frías y filtraciones de metano en aguas profundas.

En el corazón de la quimiosíntesis se encuentran las bacterias quimiosintéticas, que desempeñan un papel fundamental en la conversión de compuestos inorgánicos, como el sulfuro de hidrógeno (H2S), el metano (CH4) y el azufre elemental (S), en moléculas orgánicas. Estos compuestos orgánicos sirven como base de la cadena alimentaria en las profundidades del océano, sustentando una variedad de organismos únicos que están especialmente adaptados a sus duros hábitats.

En los respiraderos hidrotermales, las bacterias especializadas conocidas como bacterias del azufre desempeñan un papel crucial en el proceso quimiosintético. Estas bacterias metabolizan las sustancias químicas del fluido de los respiraderos hidrotermales, proporcionando la base de la cadena alimentaria para otros organismos que habitan en los respiraderos, incluidos gusanos tubulares gigantes, almejas y camarones. Mediante quimiosíntesis, estos organismos pueden prosperar en un ambiente completamente desprovisto de luz solar.

Esto hace que las bacterias quimiosintéticas sean cruciales para alimentar a innumerables organismos en las profundidades del mar, ya que son la capa base de una red alimentaria expansiva.

Los notables organismos del océano profundo

lo notable Gusanos tubulares gigantes (Riftia pachyptila), que puede alcanzar longitudes de más de dos metros y que a menudo se encuentran cerca de respiraderos hidrotermales, albergan bacterias quimiosintéticas dentro de sus cuerpos y dependen de los nutrientes producidos por estos microbios.

Izquierda: Gusanos tubulares gigantes cerca de las Islas Galápagos. Derecha: Mejillones quimiosintéticos en el Golfo de México. Albergan bacterias que utilizan sulfuro de hidrógeno o metano para producir alimentos. (Créditos: NOAA)

De alta mar mejillones son otro ejemplo de organismos simbióticos. Tienen tejidos branquiales especializados que albergan bacterias quimiosintéticas, lo que les permite obtener alimento de los minerales y productos químicos de los fluidos de los respiraderos hidrotermales. De alta mar almejasal igual que los mejillones, también albergan bacterias quimiosintéticas en sus tejidos branquiales. Estas criaturas se han adaptado para prosperar en las condiciones extremas que rodean los respiraderos hidrotermales. Además, diminuto camarones de ventilación se congregan cerca de respiraderos hidrotermales para alimentarse de bacterias quimiosintéticas que crecen en abundancia en estas áreas.

Química de quimiosíntesis: cómo funciona

Entonces, ¿cómo funciona la quimiosíntesis?

Para empezar, veamos cómo funciona la fotosíntesis. La fotosíntesis utiliza energía luminosa para convertir el dióxido de carbono en azúcares. Este es el proceso de conversión de la energía luminosa en energía química. En la quimiosíntesis, la energía de moléculas como el sulfuro de hidrógeno y el metano se utiliza para convertir el dióxido de carbono en alimento. Esencialmente, la quimiosíntesis convierte la energía química de una molécula en la energía química de otra molécula.

En resumen, la quimiosíntesis ocurre así:

6CO2 + 6H2O + 3H2S → C6H12O6 (Azúcar) + 3H2SO4 (Compuestos de Azufre)

En esta reacción, el sulfuro de hidrógeno se oxida para producir azúcar (en este caso, glucosa). Esta glucosa sirve como fuente de energía fundamental para las bacterias y otros organismos que forman la base de la cadena alimentaria en los ecosistemas quimiosintéticos.

Estas increíbles relaciones en los rincones más profundos de nuestro planeta deberían recordarnos a todos cuán adaptable y diversa puede ser la vida en este planeta.

Materia muerta desde arriba: un salvavidas desde la superficie

La quimiosíntesis por sí sola no explica toda la vida en las profundidades del océano. La Zona Afótica no sólo carece de luz solar, sino que también alberga otra importante fuente de energía: la materia muerta que cae de las aguas superficiales. En las capas superiores del océano, plantas microscópicas llamadas fitoplancton participan en la fotosíntesis, capturando energía del sol y creando materia orgánica, de la que luego se alimentan innumerables especies, que ascienden a través de la cadena alimentaria.

A medida que la vida en las regiones superiores del océano (el fitoplancton, los peces y las ballenas) muere, sus restos se hunden lentamente en las profundidades. Estos desechos orgánicos se hunden en el fondo del océano, algo que los biólogos marinos han denominado poéticamente nieve marina. Estos detritos orgánicos son una fuente fundamental de alimento para muchos organismos de aguas profundas que son incapaces de realizar quimiosíntesis. Las partículas ricas en carbono que forman la nieve marina proporcionan alimento a los animales que se alimentan por filtración, como esponjas, corales y ciertas especies de zooplancton.

A medida que desciende a las profundidades del océano, la nieve marina sirve como puente de conexión entre los dos mundos, proporcionando energía a los animales que de otro modo tendrían dificultades para encontrar una fuente estable de sustento. Los organismos de las profundidades marinas que no pueden acceder ni utilizar los puntos críticos quimiosintéticos dependen de esta materia orgánica que cae desde arriba para sostener su existencia.

Conclusión

Algunas de las adaptaciones más notables en la región de las profundidades marinas incluyen el gigantismo, con calamares colosales e isópodos gigantes que crecen hasta alcanzar tamaños asombrosos para soportar largos períodos entre comidas, así como cuerpos translúcidos que vuelven a las criaturas casi invisibles y estructuras resistentes a la presión que impiden que los organismos colapsando bajo el inmenso peso del océano arriba.

Además, las profundidades marinas fomentan una mayor esperanza de vida en especies como el tiburón de Groenlandia, lo que les permite prosperar con su lento metabolismo, a pesar de los limitados recursos alimentarios.

Comprender los secretos de las profundidades del océano no es simplemente una cuestión de curiosidad científica; es esencial para la preservación de estos ecosistemas únicos y delicados. Frente al cambio climático y la posible explotación de los recursos de las profundidades marinas, los esfuerzos continuos de exploración y conservación son vitales. Al hacerlo, podemos asegurarnos de que las maravillas de las profundidades del océano sigan cautivándonos e inspirándonos para las generaciones venideras.

Referencias (haga clic para ampliar)

1. Quimiosíntesis.
2. Bioluminiscencia | Océano Smithsoniano.
3. El mar profundo.
4. Nieve marina: un elemento básico de las profundidades | Océano Smithsoniano.

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La exploración espacial se lleva a cabo desde hace muchos años, pero los científicos también han intentado recrear el espacio exterior en laboratorios en la Tierra.

Desde principios de los años 60, los seres humanos se han aventurado en el espacio, siendo el cosmonauta Yuri Gagarin la primera persona en traspasar la frontera con las estrellas. Hasta el día de hoy, los astronautas y cosmonautas han participado en diversas misiones espaciales, que van desde ir a la luna hasta permanecer en estaciones espaciales durante varios meses seguidos.

Este es el busto de Yuri Gagarin, la primera persona en ir al espacio, ubicado en Bucarest, Rumania. (Créditos: FrimuFilms/Shutterstock)

Como probablemente sepas, el espacio exterior es un lugar duro. La mayoría de las formas de vida tienen cero posibilidades de sobrevivir allí.

Evidentemente, esto dificulta la tarea de quienes se dirigen a dichos lugares, por lo que es necesario replicar entornos del espacio exterior en el laboratorio. Lo utilizamos para entrenar a los astronautas y probar la funcionalidad de los componentes que se utilizan en los satélites y telescopios espaciales.

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Instalaciones en la NASA

Uno de los centros más destacados a la hora de recrear entornos espaciales para actividades espaciales humanas es el Centro Espacial Johnson y el Centro de Entrenamiento Sonny Carter, operado por la NASA.

Una de las funciones esenciales de este centro es la formación de astronautas, especialmente para misiones espaciales. Los astronautas de las misiones Apolo lo utilizaron como parte de su entrenamiento y actualmente se utiliza para los astronautas que van a la Estación Espacial Internacional.

Una de las simulaciones del entorno espacial más importantes en el Centro de Entrenamiento Sonny Carter es el Laboratorio de Flotabilidad Neutral (NBL).

Aquí, la instalación simula la microgravedad del espacio exterior logrando flotabilidad neutra: la tendencia a equilibrar igualmente el hundimiento y la flotación.

Esta es una fotografía de la piscina del Laboratorio de Flotabilidad Neutral en Houston, Texas. (Créditos: Framalicious/Shutterstock)

El laboratorio en sí consta de una piscina de agua gigante. Aquí, los astronautas se preparan para caminatas espaciales usando pesas apropiadas o dispositivos de flotación para flotar dentro de la piscina y simular la gravedad cero. El NBL es el sucesor del Weightless Environment Training Facility (WETF), que anteriormente se utilizaba para entrenamiento en flotabilidad neutra.

Sin embargo, esta configuración no simula perfectamente la gravedad del espacio exterior. Los alumnos aún podrán sentir el peso de los trajes, sin mencionar el efecto de arrastre mientras están en el agua.

A pesar de estos problemas, la flotabilidad neutra es el método más fiable disponible para el entrenamiento en caminatas espaciales.

La NASA también tiene otras instalaciones ambientales espaciales en su cohorte. Estas instalaciones sirven para probar partes de diversas naves espaciales, instrumentación y su desempeño en entornos espaciales extremos. Algunas de estas instalaciones incluyen las diversas cámaras de vacío térmico, la instalación criogénica y de rayos X (XRCF), el complejo de entornos espaciales (SEC), el simulador de entorno espacial, etc.

Las cámaras térmicas de vacío proporcionan baja presión y el ambiente gélido del espacio exterior para probar naves espaciales y piezas electrónicas. Una de sus cámaras, llamada Cámara B, también alberga pruebas para operaciones tripuladas mediante la creación de una simulación de baja gravedad utilizando monorraíles elevados en una carcasa de vacío.

Los alumnos con sus trajes espaciales utilizan estos monorraíles para eliminar esencialmente su peso y permitirles moverse en dos direcciones horizontales.

Esta es una imagen de la Cámara de Vacío Térmico A, tomada desde el exterior. Es conocido por ser el centro de pruebas de las misiones Apolo y del Telescopio Espacial James Webb. (Créditos: Telescopio espacial James Webb de la NASA)

La SEC, situada en el Glenn Research Center, Ohio, se utiliza para probar varios escenarios que involucran estrés y vibraciones de sonidos, los impactos de la radiación electromagnética (potencialmente de las estrellas) y problemas que surgen de la exposición prolongada a las condiciones del vacío. También contiene una cámara de vacío que simula las condiciones del espacio, especialmente en términos de temperatura.

La cámara SEC alcanza condiciones de alto vacío utilizando bombas de desbaste. Las bombas de desbaste son un tipo de bomba de vacío mecánica que se utiliza para lograr condiciones de alto vacío. Para ello, utiliza sopladores de lóbulos giratorios hechos de lóbulos giratorios que controlan el flujo de aire que sale de la cámara, junto con bombas mecánicas.

Las bombas turbomoleculares y las bombas criogénicas ayudan a estos sopladores a alcanzar condiciones de vacío casi espaciales. Las cámaras alcanzan varias temperaturas utilizando una cubierta criogénica, que se calienta y enfría produciendo nitrógeno líquido y gaseoso.

Los efectos de la radiación electromagnética se llevan a cabo en otra cámara de la SEC llamada Space Power Facility (SPF). Aquí se realizan pruebas de interferencias electromagnéticas (EM) y compatibilidad electromagnética de los instrumentos. Garantiza que la radiación de las estrellas y otras fuentes no afecte negativamente a los objetos enviados al espacio.

Cámara de pruebas de Space Power Facility. (Créditos: Servicio de distribución de información visual de defensa)

El SPF realiza sus pruebas EM en una cámara de vacío con una cubierta interior de aluminio. Permite que las ondas EM se reflejen y permanezcan dentro de esa cámara, lo que lo hace útil para una amplia gama de experimentación EM.

El Simulador de Entorno Espacial (SES) tiene funcionalidades similares a las Cámaras de Vacío Térmico comentadas anteriormente. Se utiliza para probar artículos mucho más grandes. El Centro de Vuelos Espaciales Goddard alberga este simulador.

Las condiciones de vacío y temperatura se obtienen en el interior del SES mediante bombas mecánicas de pistón y criobombas y cubiertas cilíndricas que utilizan nitrógeno líquido y gaseoso, respectivamente (como el SEC). El SES también cuenta con instrumentos para detectar gases residuales y moléculas de otros compuestos dentro de la cámara.

La Agencia Espacial Europea y los vuelos parabólicos

La Agencia Espacial Europea (ESA) también cuenta con impresionantes entornos espaciales para entrenar a sus astronautas.

El Centro Europeo de Astronautas (EAC) en Alemania tiene un Centro de Flotabilidad Neutral similar al de la NASA. Esta piscina de 10 metros de profundidad también entrena a los astronautas para caminatas espaciales y ayuda a los astronautas en formación a utilizar herramientas en gravedad cero. La EAC también posee simulaciones del espacio exterior donde los astronautas pueden entrenar.

Una ilustración que muestra a los astronautas en piscinas flotantes submarinas. (Créditos: The img/Shutterstock)

La ESA ha emprendido vuelos parabólicos para comprender los efectos de la microgravedad en los humanos y realizar experimentos en dichos entornos. Si bien los experimentos de microgravedad se llevan a cabo en estaciones espaciales, los vuelos parabólicos son comparativamente más baratos y más convenientes de realizar.

Empresas privadas como Air Zero G y Zero-G Corporation también realizan vuelos parabólicos que generan una experiencia de microgravedad, incluso para el público en general. Películas como Apolo 13 y La Momia tuvieron procedimientos similares durante su producción; la primera realizó alrededor de 612 vuelos en parábola para obtener cuatro horas de entorno de microgravedad en el que filmar.

Imagen de la izquierda: Este es un cartel de la película Apolo 13. Se utilizaron vuelos parabólicos para simular un entorno de microgravedad para esta película. (Créditos: portadas del 15 de abril de 2009/Flickr) Imagen a la derecha: Esta es la imagen de la cápsula espacial que se utilizó durante el rodaje del Apolo 13. (Créditos: Caribb/Flickr)

Estas trayectorias de vuelo también se denominan trayectorias de vuelo «parabólicas», ya que la trayectoria general de estos vuelos parece parabólica. Una parte de esta trayectoria de vuelo (la trayectoria entre el tiempo de maniobra de 20 segundos y 40 segundos en el diagrama siguiente) es en realidad el vértice de una órbita altamente elíptica.

Esta órbita hipotética y elíptica gira alrededor del núcleo de la Tierra (y no alrededor de toda la Tierra). Por tanto, gran parte de él se encuentra dentro del manto y la corteza, dentro de la superficie terrestre.

El tiempo que el avión permanece en esta órbita elíptica es de unos 20-22 segundos. Esto se debe a que sólo una pequeña porción de esta órbita elíptica está fuera de la corteza terrestre y está disponible para que el avión maniobre. Si sigue esta trayectoria orbital durante demasiado tiempo, el avión podría regresar a la Tierra. Una vez que el avión entra en esta trayectoria orbital, todo lo que hay dentro está en completa caída libre.

Esta es la trayectoria de un avión que realiza vuelos parabólicos para alcanzar condiciones de gravedad casi nula. La trayectoria de vuelo y la órbita elíptica alrededor del núcleo de la Tierra coinciden durante el intervalo de tiempo de 20 a 45 segundos en esta figura, cuando está en gravedad cero. (Créditos: Wikimedia Commons)

Para alcanzar esta órbita, el avión primero debe acelerar y cabecear hacia arriba. Una vez que alcanza un ángulo de 50 grados durante este cabeceo, el avión se sumerge y entra en caída libre durante aproximadamente 22 segundos.

Durante ese tiempo, todo lo que hay dentro del avión es casi ingrávido, lo que crea un entorno de microgravedad. Sólo decimos «casi» porque la resistencia del aire sobre el avión le impide alcanzar la ingravidez absoluta. Una vez que el avión se levanta y sale de su caída libre, las personas dentro del avión ya no sienten su ingravidez.

Los experimentos de microgravedad ocurren durante estos 22 segundos. Una vez transcurridos esos 22 segundos, los pilotos vuelven a lanzar el avión hacia arriba. Los pilotos pueden realizar varias trayectorias parabólicas similares en un solo vuelo.

La imagen de un Airbus A300 B2, utilizado por Air Zero G para sus vuelos parabólicos. (Créditos: Wikimedia Commons)

Los científicos utilizan vuelos parabólicos para recrear entornos reales de baja gravedad sin utilizar agua ni dispositivos de flotación, como en las piscinas de flotabilidad neutra. Estos vuelos permiten que estos experimentos se realicen en condiciones lo más cercanas posible a las de estaciones espaciales, como la ISS.

Simulación de entornos de exoplanetas

Sin embargo, la cosa no termina ahí. Los científicos de la Universidad de Colorado Boulder están intentando replicar las atmósferas y climas de exoplanetas para realizar experimentos y determinar si podría existir vida en tales condiciones.

El instrumento utilizado para imitar el entorno de los exoplanetas pesa alrededor de 2.000 libras (un poco más de 900 kilogramos) y está formado por gruesas paredes de acero. A diferencia del frío glacial y las condiciones de vacío del espacio replicadas en las instalaciones mencionadas, este instrumento puede alcanzar altas temperaturas (hasta 1000 Kelvin) y alta presión (cien veces la presión atmosférica al nivel del mar).

Una vez que este instrumento obtiene las condiciones de alta temperatura y presión de algún exoplaneta, los científicos emiten láseres de peine de frecuencia dentro de ese instrumento. Registran las interacciones de estos haces con los gases dentro de la cámara.

La información espectral del planeta WASP-96 b, obtenida utilizando el Telescopio Espacial James Webb. Estos datos se pueden comparar con la información obtenida de las interacciones del láser en el instrumento mencionado anteriormente. (Créditos: Telescopio espacial James Webb de la NASA)

Los científicos comparan estas interacciones con los datos espectrales de las atmósferas de exoplanetas obtenidos con telescopios. Entonces podremos tener una mejor idea de la naturaleza de las condiciones atmosféricas y los patrones climáticos de estos planetas, lo que puede ayudarnos a encontrar planetas fuera de nuestro sistema solar que puedan albergar vida.

Una última palabra

Simular las condiciones del espacio exterior, incluido el bajo vacío, la gravedad cero e incluso las atmósferas de exoplanetas, puede resultar extremadamente útil. Además de poder experimentar cómo estos entornos afectan a los humanos y la vida (especialmente la microgravedad), lo utilizamos para entrenar a las personas para que vayan al espacio exterior. Es crucial para aquellos astronautas que vivirán y trabajarán en estaciones espaciales como la ISS durante períodos prolongados.

Este equipo de simulación también proporciona entrenamiento a los astronautas que participarán en futuras misiones de vuelos espaciales a la Luna y Marte. Además, todos los componentes mecánicos y electrónicos de los satélites y telescopios espaciales se prueban para garantizar su durabilidad y se toman todas las medidas necesarias para protegerlos de daños en el espacio exterior.

Mientras la exploración espacial humana esté en pleno apogeo, el desarrollo y la recreación de entornos más allá de la atmósfera terrestre serán esenciales en los laboratorios.

Referencias (haga clic para ampliar)

1. La historia de la exploración espacial.
2. Hogar del Centro Espacial Johnson.
3. Instalaciones de flotabilidad neutra para el tren de caminata espacial.
4. Cámara de Vacío Térmico B.
5. Simulador de entorno espacial.
6. Complejo de Entornos Espaciales | Centro de Investigación Glenn | NASA.
7. Instalaciones ESA – EAC.
8. ESA – Vuelos parabólicos.
9. Realice un vuelo sin gravedad a bordo del Airbus A310 Zero G.
10. Los investigadores replican los climas de los exoplanetas para ayudar…
11. De astronautas a actores: simulación de gravedad cero en el cine.