Christian Bentz i Ewa Dutkiewick analitzen signes convencionals de fa 40.000 anys

Paleoantropologia: L’article publicat aquesta setmana a la revista PNAS de Christian Bentz i d’Ewa Dutkiewicz, editat per Melinda Zeder, ha fet furor a les xarxes socials. És sabut que els éssers humans han gravat signes visuals en les superfícies de coves i en artefactes mòbils des de fa centenars milers d’anys. Però Bentz & Dutzkiewicz proposen que fa 40.000 això ja hauria conduït a un sistema de signes convencionals. Es refereixen a unes seqüències de signes geomètrics gravats sobre artefactes mòbils aurinyacians de Suàbia que tindrien una complexitat comparable a la dels primers signes protocuneiformes. Aquests signes s’aplicaven selectivament de forma que la densitat informativa seria superior en figures i inferior en eines. Les primeres poblacions caçadores-recol·lectores de l’home modern arribades a Europa ja disposarien d’un sistema de signes intencionals i convencionals sobre artefactes mòbils. La clau de l’estudi és la recerca sobre les propietats estatístiques del llenguatge i de l’escriptura humanes en comparació amb altres sistemes de signes.

Bentz & Dutkiewicz han analitzat un conjunt de 200 artefactes mòbils aurinyacians de Suàbia d’una antiguitat de 43.000-34.000 anys d’antiguitat que porten seqüències de signes geomètrics gravats intencionadament. Hi veuen un exemple d’emmagatzematge i compartició d’informació que ajudaria a distribuir coneixement necessari per a la supervivència i la coordinació de grups grans. En total han comptat diversos milers de signes geomètrics, sobre els que han aplicat algoritmes de classificació i models estatístics. Reconeixen la diferència clara entre aquests signes i l’escriptura moderna, però sí hi veuen una analogia amb les seqüències de signes de les primeres tauletes protocuneiformes. Les figures ornamentals d’ivori recollirien més informació que les eines d’aplicació quotidiana. No queda clar si aquesta informació és número-ideogràfica, però sí que seria prou complexa.

Suports extracorporals d’informació

La capacitat de les poblacions humanes d’emmagatzemar informació més enllà de la memòria cerebral personal es reflecteix en l’actualitat en símbols i en llenguatge escrit. Aquest és el fonament de l’Era de la Informació.

La presència de signes en el Paleolític remuntaria com a mínim a una antiguitat de 400.000 anys, però es faria molt més complexa amb l’anomenada ‘Revolució Cognitiva’. Aquesta transformació assenyalaria la transició cap al Paleolític Superior, fa uns 45.000 anys. En aquesta època l’home anatòmicament modern consolida la seva presència a l’Europa Oriental i Central. En aquestes regions vivia l’home de Neandertal. Entre els homes moderns trobem una diversitat d’objectes mòbils com eines i figures fetes d’ivori, d’os o de banya, classificades dins del tecnocomplex aurinyacià.

Els testimonis més rics de l’aurinyacià els trobem a la regió de la Dordonya, als sistemes de cova del Jura suabià i en una sèrie de jaciments de Bèlgica. Entre els artefactes trobats hi ha centenars d’objectes adornats amb seqüències de signes geomètrics.

Val a dir que en el Paleolític Mitjà, l’home de Neandertal fa 70.000-40.000 anys generava artefactes mòbils, com ara fets amb ossos de corb o de hiena, que porten incisions regulars que podrien representar informació numèrica. Encara abans, en el Paleolític Inferior, hi ha indicis d’aquests exogrames o sistemes de memòria artificial.

La novetat del Paleolític Superior consistiria en un augment quantitatiu d’aquestes marques geomètriques. Al llarg del període (fa 40.000-15.000 anys) augmentaria també la complexitat d’aquests sistemes.

Un conjunt de 260 artefactes mòbils de l’aurinyacià de Suàbia

Aquests artefactes tindrien una antiguitat d’entre 43.000 i 34.000 anys. Han estat trobats en coves de Suàbia. Consisteixen un ventall especialització d’eines per tallar carn, per treballar pells d’animals i per crear robes i cordes. També hi trobem els primers instruments musicals: flautes fetes d’os i ivori. També hi ha artefactes simbòlics com perles i penjolls d’ornamentació personal, que varien de lloc a lloc. O dotzenes de figuretes curosament tallades en l’ivori. Entre les figuretes trobem mamuts llanuts (Mammuthus primigenius), cavalls salvatges (Equus ferus), bisons (Bison priscus), óssos (Ursus spelaeus), lleons (Panthera spelaea), però també representacions antropomòrfiques de dones o criatures híbrides meitat humà i meitat lleó.

Bentz & Dutkiewicz es fixen en les seqüències de signes d’aquests artefactes portàtils. Defineixen ‘signe’ com aquella modificació d’una superfície que pot ésser percebuda i interpretada per un observador intel·ligent. Hi poden entrar marques de mossegada, de tallada, manipulacions de caire utilitari, etc. Però Bentz & Dutkiewicz es limiten als signes intencionals i no-utilitaris. Per ‘intencional’ entenen allò que no és el subproducte d’una altra activitat, com és el cas de les marques de tall que resulten de l’activitat escorxadora. Per ‘no-utilitari’ es refereixen als signes que no tenen funcions purament pràctiques vinculades a l’operació artesanal, com pot ésser els forats per fer-hi passar cordes, o incisions circulars per introduir mànecs a les puntes de llança. Com a tipus de signes intencionals i no-utilitaris trobem línies, punts, creus, estels, graelles i ziga-zagues.

Dutkiewicz ha fet la feina d’assignar els tipus de signes esmentats a caràcters UTF-8 atenent a anàlisis microscòpics.

Com a mostres comparatives, Bentz & Dutkiewicz empren tauletes procedents dels primers períodes del protocuneiforme de l’antiga Mesopotàmia: Uruk V (3500-3350 a.C.), Uruk IV (3350-3200 a.C.) i Uruk III (3200-3000 a.C.). També utilitzen una mostra de 89 llenguatges moderns expressats en 16 sistemes d’escriptura diferents.

En total resulta un cos de 3000 seqüències de signes sobre els que es fa una estatística de lingüística quantitativa: ratio tipus-objecte, entropies d’unigrama, taxes d’entropia, taxes de repetició, etc. Sobre això s’apliquen els algoritmes de classificació per distingir entre aurinyacià, protocuneiforme i escriptura moderna.

Les distribucions de trets estatístics

Les seqüències aurinyacianes i d’Uruk V tenen una entropia d’unigrama i una taxa d’entropia baixes que s’acompanyen d’una taxa de repetició relativament alta. Les seqüències d’Uruk IV i Uruk III presenten una major entropia alhora que una menor taxa de repetició. Els sistemes d’escriptura moderns són d’alta entropia i baixa taxa de repetició.

En termes de nombre de caràcters mentre l’aurinyacià en presenta una mitjana de 8 i l’Uruk V una mitjana de 7, Uruk IV puja a 13, Uruk III a 17 i l’escriptura moderna a 28.

L’anàlisi de components principals dels trets estatístics situa l’aurinyacià i l’Uruk V en la mateixa zona, amb una certa superposició amb Uruk IV i Uruk III, però ja ben diferenciats de l’escriptura moderna.

La classificació de les seqüències de signes

Les anàlisis de classificació MLP i KNN no són capaces de diferenciar entre l’aurinyacià i l’Uruk V. Sí ho fan entre l’aurinyacià i l’Uruk IV/III, i de manera perfecta entre l’aurinyacià i l’escriptura moderna.

La densitat d’informació

Les figuretes antropomorfes de l’aurinyacià són les que presenten una major densitat d’informació en els seus signes. Queden just per sota les figuretes zoomorfes. Més avall hi hauria les eines (amb un 15% menys d’informació que les figuretes d’ivori). Tubs/flautes i objectes ornamentals encara tenen menys densitat d’informació en els seus signes que les eines (un 10% menys).

Els objectes més grossos tendeixen a presentar una major densitat d’informació. El mateix passa amb els objectes gairebé complets. No hi ha diferències en termes de densitat d’informació entre els objectes de 40.000 anys d’antiguitat i els de 30.000.

La qüestió de la decoració

La regularitat de distància entre les marques és un element de valor decoratiu. Bentz & Dutkiewicz pensen que els sistemes de signes poden utilitzar-se com a decoració sense perdre valor informatiu, com passa amb la cal·ligrafia.

Els tipus de signes

La semiòtica distingeix entre els índexs, les icones i els símbols. Totes tres categories són ‘signes’. L’índex és un signe que es troba en relació causal directa amb l’objecte que representa. La icona representa un objecte a través d’una similitud amb ell. El símbol, en canvi, té una relació convencional i arbitrària (no-icònica) amb l’objecte.

Bentz & Dutkiewicz assumeixen que alguns signes aurinyacians serien índexs. Aquest seria el cas de les osques aplicades a flautes per indicar o s’han de realitzar els forats (amb una funció gairebé utilitària).

Altres signes aurinyacians serien icones. És el cas dels punts que presenten figurines de felins i de peixos, que imiten patrons observables en lleons i truites.

Quan els punts s’aparten de l’ús icònic originari passarien a la categoria de símbols, per exemple representant informació numèrica.

El significat dels signes aurinyacians

Els mateixos signes paleolítics han estat objecte d’interpretacions diferents pels estudiosos contemporanis. La presència de creus en figuretes de mamut o de cavall han estat interpretades com a icones de pèl, però també com a notacions numèriques o com a símbols de sacrifici ritual. Aquesta darrera interpretació té el suport de la presència de símbols rituals en figuretes zoomorfes realitzades per grups de caçadors-recol·lectors contemporanis.

Hom ha volgut en veure en marques de parets de coves o en artefactes portàtils la presència de calendaris lunars. Els mateixos signes han estat interpretats com a registres de cacera, anàlegs als trobats en el registre etnogràfic contemporani.

Una altra línia de recerca és la que ha posat de manifest similituds entre signes paleolítics i ideogrames sumeris, hitites, egipcis o xinesos. Els signes amb forma de branques del Paleolític podrien ésser anàlegs als ideogrames de gra o d’herba.

La hipòtesi dels ‘calendaris fenològics’ interpreta el signe Y com el de naixement, i les seqüències de línies i punts com a signes numèrics del pas del temps expressat en lunacions. Aquests calendaris fenològics ajudarien a programar l’activitat caçadora-recol·lectora en relació als canvis naturals com les migracions de preses.

La qüestió de l’escriptura

La definició filològica estàndard d’escriptura fa referència a un vincle estret entre el llenguatge parlat i les marques gràfiques que el representen.

Bentz & Dutkiewicz conclouen que els signes aurinyacians estudiats no són escriptura en el sentit estricte. Les seves propietats estatístiques són molt diferents a la dels sistemes d’escriptura del món contemporani.

La taxa de repetició adjacent d’un mateix signe és molt habitual en les seqüències aurinyacianes i molt rara en l’escriptura moderna, tant si es tracta d’un alfabet, d’un sil·labari o una logografia. De fet, en els llenguatges naturals hi ha una tendència evitar repeticions a diferents nivells: fonèmic, morfèmic, lèxic.

Dit això, Bentz & Dutkiewicz consideren que els signes aurinyacians representen un sistema de marques visibles convencionals destinat a la intercomunicació humana. Això explicaria la producció coherent dels mateixos signes per individus diferents en el decurs de llargues generacions. També tindria sentit que siguin emprats de manera més productiva en figuretes, i d’una forma selectiva: les creus apareixen en figuretes zoomorfes i en eines però no en figuretes antropomorfes; els punts apareixen més sovint en figuretes antropomorfes i de felins però no en eines.

Una taxonomia dels sistemes de signes

L’escriptura pròpiament dita, és a dir les seqüències de signes que representen llenguatge parlat, hauria aparegut, si més no, en cinc ocasions de forma independent: Mesopotàmia (2500 a.C.), Egipte, Xina, Amèrica Central i Pacífic Oriental (1500 d.C.).

El repte és trobar la relació entre aquests sistemes d’escriptura i els sistemes de signes del Paleolític.

El protocuneiforme reflectiria una transició d’una notació bàsicament numèrica a una de número-ideogràfica. La llista de signes d’Uruk V inclou 47 signes, dels quals 39 són numèrics i 8 són ideogràfics. La llista d’Uruk III (entre 150 i 350 anys posterior) inclou 838 signes, dels quals 733 són ideogràfics i 105 són numèrics.

En el període dinàstic arcaic (2500 a.C.) el protocuneiforme és adaptat per reflectir morfo-fonèticament la llengua sumèria. Això respondria a les necessitats d’una economia més complexa.

Les implicacions cognitives

El salt qualitatiu en la intel·ligència humana en el Paleolític Superior ha estat vinculat a una expansió de la capacitat d’informació. És interessant que la capacitat d’informació dels signes aurinyacians sigui comparable a la d’Uruk V.

Lligams:

- Humans 40,000 y ago developed a system of conventional signs. Christian Bentz, Ewa Dutkiewicz. PNAS (2026).

L’oligotrofització dels boscos boreals

Ecologia forestal: Kelley R. Bassett fa la tesi doctoral sobre canvis ambiental utilitzant dades de l’Inventari Nacional Suec de Boscos. En un article publicat aquesta setmana a la revista Nature, Basset et al. constaten que l’augment dels nivells atmosfèrics de diòxid de carboni (CO₂) en les darreres dècades ha reduït la disponibilitat nitrogen en els boscos boreals de Suècia. Seríem davant, doncs, d’un cas d’oligotrofització. És cert que les emissions antropogèniques de gasos amb efecte hivernacle, comporten una entrada neta de nitrogen a l’atmosfera, que contribueix a una eutrofització global. L’oligotrofització en els boscos boreals seria un contraexemple. Bassett et al. han reconstruït la cronologia de la proporció de nitrogen-15 (δ15N) en teixits vegetals representatius d’un àrea forestal sueca de 23,5 milions d’hectàrees en el període 1961-2018. Suècia és un país de contrastos latitudinals, i en un meridià de 1500 km trobem una variació en la deposició de nitrogen de l’ordre de quatre. En canvi, l’augment dels nivells atmosfèrics de CO₂ és latitudinalment uniforme. Per tot Suècia hi ha una davallada en la proporció de nitrogen-15, fins i tot en l’extrem nord, allà on la deposició de nitrogen atmosfèric és molt baixa. Els models lineals d’efectes mixtos indiquen que l’augment de CO₂ seria el principal predictor dels valors de δ15N, deixant enrere les variables de deposició de nitrogen, la temperatura o l’àrea basal forestal. Aquesta oligotrofització dels boscos boreals hauria d’ésser considerada quan modelem l’acció d’aquests ecosistemes com a embornals en el cicle global del carboni.

Bassett et al. han estudiat els patrons temporals de la proporció de nitrogen-15 i de la deposició de nitrogen en la fusta de Suècia

L’impacte de l’activitat humana en els cicles de carboni i nitrogen

El concepte original d’aquesta recerca fou formulat pel professor Michael Gundale, del Departament d’Ecologia i Gestió Forestal de la Universitat Sueca de Ciències Agrícoles, d’Umeå. Kelley R. Bassett, Gundale, Stefan F. Hupperts, Sandra Jämtgård, Jonas Fridman i Lars Östlund participaren en discussions sobre el disseny de l’estudi. Bassett gestionà tots els procediments d’arxiu i preparà les mostres per a l’anàlisi. Bassett realitzà totes les anàlisis estatístiques amb l’ajut de Hupperts en la gestió de dades i la programació en R. Bassett, Hupperts, Gundale, Jämtgård, Östlund i Steven S. Perakis analitzaren i interpretaren els resultats. Bassett redactà el primer esborrany de l’article, i tots els autors participaren en la discussió i revisió ulteriors.

Els autors agraeixen tot el personal de camp del NFI suec, del 1961 al 2018, la feina en la presa de mostres i recollida de dades. Agraeixen F. Johansson, M. Karlsson, T. Sundvall, P. Edlund i K. Spies l’ajut en els arxius. Agraeixen l’anàlisi de laboratori del Central Appalachians Stable Isotope Facility. A F. Maillard li agraeixen la revisió de l’article.

La recerca fou finançada amb la beca de Stiftelsen Gunnar och Birgitta Nordins fond (KSLA) a Bassett, i amb la de Brattås Stiftelsen, Troëdssons Stiftelsen, VR (2020-09308) a Gundale, i amb fons de la Fundació Wallenberg.

L’activitat humana té un impacte involuntari en forma de canvis ambientals, vehiculats en part per alteracions quantitatives en els cicles biogeoquímics del nitrogen i del carboni. Des del 1960, en especial, l’activitat humana ha decuplicat la taxa de creació de nitrogen reactiu (Nr). Això s’explica pel procés industrial de Haber-Bosch, per l’expansió de cultius lleguminosos i pel consum de combustibles fòssils. De fet, hom calcula que en el 2050 la creació de Nr s’haurà multiplicat per 18 des dels valors ‘pre-industrials’.

La producció humana global d’energia i aliments promou emissions de Nr, que resulten en la deposició de NHx i NOy en la superfície de la Terra. Això comporta un ‘enriquiment’ de N d’ecosistemes terrestres i aquàtics, que es tradueix en eutrofització i acidificació.

Més conegut encara és el fet que les activitats humanes han augmentat el nivell atmosfèric de CO₂ en més d’un 50% respecte dels valors preindustrials. Això comporta un estímul de la producció primària neta terrestre. En principi això no seria del tot negatiu, ja que els ecosistemes terrestres actuarien com a embornal de carboni. Ara bé, aquest augment de la productivitat primària neta interactua no tan sols amb el cicle del C sinó també el cicle del N, induint-hi una reducció de la disponibilitat de N. Això darrer conduiria a una limitació progressiva de N, és a dir a una oligotrofització d’ecosistemes terrestres. L’oligotrofització seria la conseqüència de l’estímul del CO₂ atmosfèric sobre el creixement vegetal i la captació de N: la disponibilitat de N en el sòl es veuria reduïda. Els teixits vegetals tendeixen llavors a augmentar la ratio C:N, la qual cosa estimula la immobilització de N microbià en el procés de descomposició detrítica. Tot plegat fa difícil preveure quina serà l’evolució del cicle del N en els diferents ecosistemes.

Disposar de sèries històriques de valors vegetals de δ15N pot ajudar a reconstruir la disponibilitat de nitrogen de diferents sòls i ecosistemes. Quan la disponibilitat de nitrogen és alta, els valors de δ15N són superiors. Això s’explica per la fraccionalització isotòpica entre el nitrogen-14 (majoritari) i el nitrogen-15 (nitrogen pesant) en processos ecosistèmics com la captació de nitrogen per les plantes, la volatilització d’amoni del sòl, la nitrificació, la lixiviació de nitrats o la desnitrificació. En boscos, el fongs micorrízics tendeixen a acumular nitrogen-15, i transfereixen als arbres una quantitat relativa superior de nitrogen-14.

Una cronologia de δ15N

Bassett et al. han analitzat els valors de δ15N de 1609 mostres de nuclis de fusta obtinguts d’arbres per perforació entre el 1961 i el 2018. La dendrocronologia d’aquests nuclis fa que el temps representat pels diferents anells vagi del 1950 al 2017. L’àrea forestal representada per aquestes mostres és de 23,5 milions d’hectàrees.

La variable que més els interessa és δ15N. Pensen que el %N de la fusta no seria un bon indicador de limitació de N, ja que els nivells de nitrogen de la fusta és, en general, massa baix.

Les determinacions isotòpiques es dugueren a terme al Central Appalachians Stable Isotope Facility (CASIF), a Frostburg, Maryland.

Les dades de temperatura mensual provenien de CRU TS v4.07. Les de CO₂ provenien de l’estació de Pallas-Sammaltunturi, a Finlàndia. Les dades de deposició de nitrogen provenien de ISIMIP3a.

Les mostres analitzades tenen un gradient latitudinal de 1500 km. En aquest gradient trobem diversos nivells de deposició de Nr: en l’actualitat a l’extrem meridional els valors de deposició són quatre vegades superiors als que trobem en l’extrem septentrional. Val a dir que les polítiques de reducció d’emissions ja han tingut un impacte a la Suècia meridional en els valors de deposició total de Nr i de NOy.

Les mostres de fusta analitzades corresponen a dues espècies: Picea abies (L.) H. Karst i Pinus sylvestris L. Els arbres pertanyien a classes d’edat similars (de 41 a 60 anys).

Bassett et al. dividiren Suècia en quatre regions: Nord, Central, Sud-Oriental i Sud-Occidental. Si al Nord la deposició de Nr és de ≤3 N kg ha⁻¹ any⁻¹, a la regió sud-occidental més industrialitzada fou de 12 N kg ha⁻¹ any⁻¹ en el pic de final dels anys 1990.

Els valors de δ15N tendien a davallar a un ritme anual entre −0,01‰ i −0,07‰.

Els factors darrera de la variació de δ15N

Bassett han construït models d’efectes mixtos lineals per comparar la capacitat explicativa de diferents variables: nivell atmosfèric de CO₂, deposició atmosfèrica de Nr, temperatura mitjana anual, canvi de temperatura i àrea basal total.

Els models indicaven que el CO₂ és el predictor més fort dels valors de δ15N. Per a P. sylvestris un augment d’1 ppm en la concentració atmosfèrica de CO₂ es tradueix en una davallada de δ15N de −0.04 ± 0.005‰. Per a P. abies, la davallada equivalent és menys marcada (−0.028 ± 0.005‰). Així doncs l’augment de CO₂ promou l’oligotrofització de l’ecosistema forestal boreal de Suècia. La diferència entre espècies podria explicar-se pel fet que P. sylvestris té una taxa superior en el recanvi d’acícules, la qual cosa fa que sigui inferior en termes d’eficiència d’ús de N.

Bassett no troben relació entre variables de deposició de Nr amb els valors de δ15N. Sí que hi ha una feble correlació positiva entre la deposició de N total i els valors de δ15N.

La correlació positiva entre la temperatura decadal o anual i els valors de δ15N podria atribuir-se al fet que una major temperatura ambiental accelera el cicle de nitrogen i la fraccionació isotòpica d’aquest element.

Les implicacions de l’oligotrofització dels boscos boreals

No és el primer estudi que troba un declivi en les cronologies de δ15N dels boscos boreals. Els resultats de Bassett et al. indiquen que el principal responsable d’aquest declivi és l’augment dels nivells atmosfèrics de CO₂.

Els boscos boreals tenen un paper important en el cicle global de C. Constitueixen un important reservori de C terrestre: si bé suposen tan sols el 17% de la superfície emergida, emmagatzemen el 32% del C terrestre.

L’augment dels nivells atmosfèrics de CO₂ estimula la fotosíntesi, el creixement i la demanda de N de les coníferes. L’acumulació superior de biomassa capta més N del sòl. D’altra banda, l’efecte ‘fertilitzant’ del CO₂ condueix a un augment de la ratio C:N en els teixits vegetals, de manera que la fullaraca també tindrà una ratio C:N més elevada, la qual cosa estimula la demanda N dels microorganismes descomponedors i també la immobilització de N per part de la microbiota del sòl.

Les dades forestals de Suècia indiquen que des dels anys 1950 hi ha hagut una tendència a l’augment de la biomassa de pins i avets a totes les regions. Ara bé, en les darreres dècades aquest augment comença a frenar-se possiblement per la disminució de disponibilitat de N i per una major exposició a sequeres i malalties.

En calcular el balanç de C del bosc boreal cal recordar que l’estoc de carboni dels sòls boreals és cinc vegades superior a l’estoc de carboni de la biomassa de les parts aèries de la vegetació. En qualsevol cas, la interferència en el cicle del N pot posar en perill el rol dels boscos boreals com a embornal en el cicle del C.

Lligams:

- Rising atmospheric CO2 reduces nitrogen availability in boreal forests. Kelley R. Bassett, Stefan F. Hupperts, Sandra Jämtgård, Lars Östlund, Jonas Fridman, Steven S. Perakis & Michael J. Gundale. Nature 650: 629-635 (2026).

- Riksskogstaxeringen, a la pàgina web de la Sveriges Lantbruksuniversitet.

El genoma de ‘Psychrobacter’ SC65A.3, un bacteri preservat en una cova de glaç de 5000 anys d’antiguitat

Bacteriologia: Anomenem ‘psicròfils’ als organismes adaptats a viure en ambients freds, com ara els que trobem en la criosfera. Encara que sembli impossible, en un ambient com el de la Cova de Glaç de Scărișoara, amb una antiguitat de 5000 anys, hom ha pogut isolar una soca bacteriana designada com a Psychrobacter sp. SC65A.3. En un article a Frontiers in Microbiology, Victoria Ioana Paun et al. reporten la seqüenciació genòmica completa i la caracterització funcional d’aquest bacteri. El més sorprenent és que aquest bacteri psicròfil antic mostra alhora un fenotip de resistència a fàrmacs antimicrobians moderns i una activitat contra altres microorganismes. Paun et al. han enfocat la llur anàlisi a la caracterització de l’extremotolerància (i no tan sols la tolerància al fred extrem), la susceptibilitat a antibiòtics i el perfil bioquímic. El bacteri SC65A.3 és un poliextremòfil. És psicròfil en el sentit que prefereix el fred, fins al punt que no pot créixer a una temperatura ambiental superior a 15 °C! És halòfil en el sentit que pot tolerar concentracions de clorur de sodi (NaCl) de 1,9 M (!) i de clorur de magnesi (MgCl₂) de 0,9 M. L’anàlisi filogenètica el situaria dins de l’espècie halopsicròfila P. cryohalolentis. Els assaigs funcionals mostren que aquest bacteri té una àmplia activitat hidrolítica i té la capacitat de resistir 10 antibiòtics de 8 classes diferents (cefalosporines de tercera generació, fluoroquinolones, aminoglucòsids i rifampicina). L’anàlisi de tot el seu genoma resultà en la identificació de més d’un centenar de gens associats a la resistència contra antimicrobians, com ara ampC, gyrA, gyrB, parC, parE, dfrA, rpoB, tetA, tetC o mcr-1. També presenta múltiples gens de resistència a metalls pesants i per a l’excreció de múltiples fàrmacs. Té gens per glucopèptids antimicrobians i per a la bacitracina, la qual cosa explica que tingui la capacitat d’inhibir 14 patògens del grup ESKAPE (MRSA, Enterococcus faecium, Enterobacter, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae i Acinetobacter baumannii). També presenta 45 gens de resposta a l’estrès relacionats amb l’adaptació al fred, com ara htpX, htpG o pka. Aquest antic psicrobacteri té doncs un perfil dual de resistència a antimicrobians i d’activitat antimicrobiana. Aquest perfil encaixaria més en ambients on hi ha una biomassa i una activitat microbianes més considerable, però Paun et al. remarquen que les coves de glaç poden constituir un reservori de resistomes antics i de trets bioactius.

Fotografia de la Cova de Glaç de Scărișoara feta per V. I. Paun

Criosfera i microbis psicròfils

En aquesta recerca han participat Victoria Paun (del Departament de Microbiologia de l’Institut de Biologia de Bucarest de l’Acadèmia Romanesa), Corina Itcus (IB Bucarest), Paris Leonardo Lavin (Universidad de Antofagasta), Mariana Carmen Chifiriuc (Universitat de Bucarest) i Cristina Purcarea (IB Bucarest).

Vora el 20% de la superfície de la Terra és ocupada per hàbitats congelats. Una porció encara superior de la biosfera és exposada a baixes temperatures. Els microbis adaptats al fred poden explotar aquests hàbitats.

En l’actual context de canvi climàtic antropogènic accelerat, una part important de la criosfera es troba en recessió. Paun et al. ens recorden que els hàbitats glaçats serveixen de reservori de microorganismes psicrofílics, amb tot el que comporta en termes de diversitat genòmica i funcional. Els microorganismes psicrofílics tenen la capacitat de romandre estables i actius a temperatures baixes, una propietat que els fa d’interès en bio-nanotecnologia i en altres indústries. Són aquestes aplicacions les que esperonen el finançament de projectes de recerca sobre microbiomes en dipòsits perennes de glaç en coves. Aquests projectes treuen inspiració de tota la feina que s’ha anat realitzant en les darreres dècades sobre el microbioma del permafrost, el sòl permanentment glaçat, o de la plaques de gel polar, de la mar glaçada, de llacs glaçats o de neus.

La Cova de Glaç de Scărișoara, a Romania, és un exemple ben estudiat de cova de gel. Consisteix en un bloc de glaç perenne de 100.000 m³, amb una datació aproximada de 13.000 anys. En aquest dipòsit de glaç perenne hom ha pogut detectar una comunitat microbiana rica i complexa. La distribució d’aquesta comunitat dependria de les condicions climàtiques durant la formació del gel i del contingut de carboni orgànic dins del substrat del gel. El grup de Paun ha pogut isolar i caracteritzar tota una sèrie de soques bacterianes psicrotròfiques i psicrofíliques.

Pot semblar paradoxal que el grup de Paun sigui especialment interessat en la resistència a agents antimicrobians d’aquests bacteris psicròfils antics. Al capdavall, associem els agents antimicrobians a la clínica moderna, a l’ús de la penicil·lina i altres antibiòtics des de fa poc més de vuitanta anys. Però cal no oblidar que els antibiòtics foren descoberts a la natura i és lògic doncs que la resistència als antibiòtics sigui també un fenomen antic i natural. Durant milions d’anys hi ha hagut una coevolució entre els processos de síntesi d’antibiòtics per fongs i bacteris, i els mecanismes de resistència (alteració, control d’entrada i de sortida, inactivació enzimàtica, etc.).

Quan diem que els microorganismes resistents són un fenomen emergent, en realitat volem dir que l’ús clínic massiu d’antibiòtics ha suposat una pressió selectiva enorme en favor de la proliferació dels gens preexistents de resistència a antibiòtics. No és tan sols que aquesta pressió selectiva faci proliferar els microorganismes que en són portadors, sinó que també promou indirectament la transferència horitzontal d’aquests gens. S’ha establert una cursa entre la introducció de nous antibiòtics en medicina i veterinària i la resistència antimicrobiana. En afluixar la primera, la segona esdevé una crisi global en termes de medicina humana i veterinària, de seguretat alimentària i de salut ambiental.

Els ambients de permafrost poden constituir reservoris d’antics mecanismes de resistència. Com passa en els ambients extrems, hi ha una notable diversitat metabòlica. Alguns grups de recerca s’esforcen en trobar-hi nous agents antimicrobians, però també nous compostos antitumorals.

La Cova de Glaç de Scărișoara acull el bloc de glaç més gran i més antic conegut del subsòl. L’antiguitat del gel que l’integra segueix una cronoseqüència que puja fins a 13.000 anys d’antiguitat.

Entre els microorganismes que acull n’hi ha del gènere Psychrobacter. Aquest gènere fou descrit en el 1986 amb l’espècie tipus P. immobilis, situat en la família de les Moraxellaceae dins de la classe de les Gammaproteobacteria. Aquest gènere hauria evolucionat d’ancestres mesofílics adquirint una adaptació a ambients freds i salins. Actualment es coneix mig centenar d’espècie de Psychrobacter. Són bacteris de tinció Gram variable, amb morfologia de cocobacil, sense motilitat, i que formen colònies de color crema o taronja. Encara que prefereixen temperatures baixes i salinitat fortes, algunes soques poden tolerar temperatures de fins a 37 °C i salinitats baixes. Són bacteris estrictament aerobis, amb activitat catalasa i oxidasa. Poden utilitzar com a fonts de carboni una diversitat d’aminoàcids i d’àcids orgànics, però no són gaire versàtils bioquímicament. Algunes espècies (P. sanguinis, P. arenosus, P. faecalis, P. pulmonis and P. phenylpyruvicus) han estat descrites en infeccions oportunistes humanes, i d’altres (P. immobilis, P. glacincola) en peixos. L’interès biotecnològic d’aquest gènere se centra en els seus enzims actius sota el fred, com ara anhidrases carbòniques amb aplicacions en bioremediació, o com els implicats en la biosíntesi de terpenoides o la degradació de benzoats, la detoxificació de mercuri o la resistència a toxines.

Paun et al. ens parlen en aquest estudi d’una soca isolada d’una zona de la Cova de Glaç de Scărișoara de 5000 d’antiguitat.

Isolament, identificació i caracterització

La soca bacteriana Psychrobacter SC65A.3 fou isolada de glaç d’una antiguitat de 5.000 anys que fa part del nucli de glaç de 25,33 metres extret de la Cova de Scărișoara. L’isolament es va fer a 4 °C en un medi de cultiu R2B.

En medi sòlid TSA la soca fou incubada durant 14 dies a diverses temperatures (4 °C-37 °C). En medi LB sota agitació a 15 °C la soca fou incubada en diferents concentracions de NaCl (0-4 M) and MgCl₂ (0–4 M).

L’ADN genòmic fou isolat en un kit de Qiagen. Mitjançant la seqüenciació del gen 16S rRNA se’n va fer la identificació.

La susceptibilitat a antimicrobians fou assajada pel mètode de Kirby-Bauer, tenint en compte 28 antibiòtics de 17 classes diferents.

L’activitat antimicrobiana fou assajada per un mètode de difusió modificada sobre dues soques de referència i 20 soques patògens clínic isolades de la Col·lecció de la Universitat de Bucarest.

La caracterització bioquímica es va fer amb les tires API ZYM i API 20NE de BioMérieux a 15 °C.

La seqüenciació genòmica completa es va realitzar a Macrogen, a Corea del Sud.

Les anàlisis filogenètiques dels gens 16S rRNA i gyrB es van fer a la plataforma www.phylogeny.fr.

Característiques generals

A una alçada de 1706–1716 cm, el gel del nucli utilitzat té una antiguitat de 5335 ± 54 anys. El cultiu d’una mostra d’aquest gel en medi R2A a 4 °C donà lloc a una colònia amb una pigmentació entre taronja i rosa. La colònia fou seleccionada i purificada. Identificada amb el codi SC65A.3 podia créixer en medis R2A, TSA, MH i LB. En TSA, la soca podia créixer en temperatures entre 4 °C i 15 °C. A 15 °C en medi LB podia tolerar salinitats de fins a 1,9 M NaCl and 0,9 M MgCl₂.

L’anàlisi per BLAST situava la soca SC65A.3 en el gènere Psychrobacter.

Caracterització funcional

L’anàlisi en el sistema API ZYM mostrava una producció notable de lipasa C14, de fosfatasa alcalina, lipasa esterasa C 8 i de naftol-AS-BI-fosfohidrolasa.

L’anàlisi en el sistema API 20NE mostrava la presència de reducció de nitrat, d’hidròlisi d’urea, assimilació de citrat o de β-glucosidasa.

Dels 28 antibiòtics assajats, la soca era resistent a clindamicina, lincomicina, vancomicina o metronidazol. Això correspondria a un fenotip multiresistent.

Pel que fa a l’activitat antimicrobiana contra 22 patògens, la soca mostrava activitat contra 12.

El genoma

El genoma de SC65A.3 seria de 3.046.103 bases, amb un GC del 42,52%. Contenia 2536 gens codificants de proteïna, 15 gens d’ARNr i 50 gens d’ARNt. En aquesta llista trobem un locus CRISPR i 2 gens de resistència a antibiòtics.

L’anàlisi filogenètica situaria SC65A.3 dins de Psychrobacter cryohalolentis.

El genoma contindria 45 gens associats a l’adaptació termal, dels quals 29 amb processos de xoc tèrmic, i 16 de resposta al xoc per fred. D’aquests 45 gens, 21 corresponen a xaperones implicades en modificacions post-traduccionals i recanvi proteic.

El genoma contindria 107 gens associats a la resistència a antimicrobians. Hi trobem gens de beta-lactamases, gens resistència a tetraciclina, a fluoroquinolones, aminoglucòsids, etc.

El genoma contindria 11 gens potencialment implicats en l’activitat antimicrobiana. Entre les substàncies antimicrobianes detectades hi hauria la sublancina, la picromicina, la butirosina, la rebecamicina, la bacitracina, etc.

La potencialitat biotecnològica d’un poliextremòfil

SC65A.3 és un poliextremòfil que hauria romàs atrapat en el gel durant 5000 anys. Combinaria la psicrofília amb una halofília moderada. La psicrofília el fa especialment interessant pel que fa als seus enzims i proteïnes actives, amb aplicacions en biotecnologia, farmàcia i processos ambientals.

Però allò més interessant és la combinació d’una bona capacitat de resistència a antimicrobians i la producció d’un ventall de substàncies antimicrobianes. Aquest és un perfil típic de bacteris competitius, que han de posar ratlla al creixement de competidors, i alhora resistir la producció de toxines que aquests generen. Així disposa de tot un mecanisme afavoridor de l’excreció de toxines.

Paun et al. recorden la importància de monitoritzar els hàbitats naturals com a font de gens de resistència a agents antimicrobians. La idea que el desglaç pugui alliberar microorganismes perillosos per a la salut humana, animal o ambiental no és pura literatura de terror.

Lligams:

- First genome sequence and functional profiling of Psychrobacter SC65A.3 preserved in 5,000-year-old cave ice: insights into ancient resistome, antimicrobial potential, and enzymatic activities. Victoria Ioana Paun, Corina Itcus, Paris Lavin, Mariana Carmen Chifiriuc, Cristina Purcarea. Front. Microbiol. (2026).

- Bacteria frozen in ancient underground ice cave found to be resistant against 10 modern antibiotics. Deborah Pirchner. Frontiers News.