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sábado, 16 de enero de 2021

Alianzas entre reinos

Las plantas no pudieron conquistar tierra
firme sin la ayuda de los hongos.



 Por LYNN MARGULIS y DORION SAGAN

Todos los líquenes —se estima que hay unas 25.000 clases— son el resultado de asociaciones entre hongos y algas o cianobacterias. Muchos líquenes incluso albergan ambos tipos de fotosintetizadores. Adheridos a troncos, lápidas, paredes de roca y otros lugares iluminados inaccesibles para organismos menos emprendedores, los líquenes se han procurado un nicho confortable para ellos. A medida que crecen, desmenuzan lentamente la roca sólida y la convierten en suelo vivo.

Por separado, los componentes fúngico y algal de un liquen no se parecen en nada. Y tampoco se parecen al extraordinario conjunto de partida. El resultado de la simbiosis es mucho más que una simple suma, es una sorpresa no aditiva.

Con tantos líquenes diferentes, cada uno de los cuales representa un encuentro permanente entre dos formas de vida, una fúngica y otra fotosintética, la expresión «relación a largo plazo» adquiere un nuevo sentido. Cuando se extrae el socio fotosintético de un liquen y se cultiva aparte, la excreción de azúcar cesa y no se reanuda aunque se introduzca en el cultivo un extracto del hongo inductor. De algún modo, alga y hongo perciben la presencia del otro, formando un consorcio emprendedor y complejo depende de la historia de la relación. Como las células animales, las células del alga y el hongo en un liquen se comunican metabólicamente. A diferencia de la mayoría de animales, sin embargo, el tamaño y la forma de un liquen no están fijados con precisión, y su histología se reduce a una capa de tejido o poco más. Los líquenes, sin embargo, superan a los animales en longevidad; algunos líquenes individuales pueden vivir hasta 4.000 años.

Los líquenes son organismos formados
por la simbiosis entre varios seres vivos.

La última alianza entre reinos, aunque aún no constituye un liquen, quizá sea la que se da en la actualidad en la Antártida. El 70 por ciento del agua dulce del planeta se encuentra en ese continente, pero está en forma de hielo, y la humedad relativa en estos páramos desamparados raramente sobrepasa el 30 por ciento. Las pocas regiones antárticas libres de hielo son desiertos, y son los lugares más secos de la Tierra. Pero incluso en estas estériles extensiones desérticas y frías hay hongos que crecen dentro de las rocas —los llamados hongos endolíticos— en asociación laza con algas verdes. Estos hongos endolíticos aprovechan la escasa pero suficiente agua de fusión y suministran nutrientes a las algas (que captan la luz que atraviesa los cristales traslúcidos de la roca).

La vida puede evolucionar súbitamente, a saltos, cuando se unen partes separadas. Las alianzas entre hongos y algas originan líquenes; una alianza similar pudo haber sido crucial para el desarrollo de los primeros bosques. Las micorrizas, por ejemplo, estructuras radicales que resultan del crecimiento acompasado de hongos y plantas, suministran nutrientes minerales al socio autótrofo, y el socio heterótrofo recibe alimento fotosintético a cambio.

Pues bien, estas micorrizas —raíces redondeadas, rechonchas y a menudo coloreadas— son estructuras simbióticas dinámicas producidas por la planta junto con el hongo. Se han descubierto más de 5.000 hongos productores de micorrizas. En la mayoría de casos las plantas asociadas parecen depender de estos simbiontes para absorber fósforo y nitrógeno del suelo. Más que pelos radicales o micelios, son estructuras sinérgicas, emergentes, cruciales para el reciclado. Un solo árbol grande puede tener en sus raíces hasta cien variedades de micorrizas, cada una producida por un hongo distinto.

Plantas y hongos unieron sus fuerzas desde el comienzo mismo de la vida en tierra firme. En algunos de los fósiles vegetales más antiguos se pueden identificar hongos simbióticos. Carentes de hojas y ramas, las primeras plantas terrestres eran poco más que tallos verdes erectos. Peter Atsatt, botánico de la Universidad de California en Irvine, y Kris Pirozynski, micólogo investigador en el Museo de la Naturaleza de Ottawa, defendieron que la colonización del medio terrestre por los ancestros de las plantas modernas no habría tenido éxito sin la ayuda de los hongos. Hoy los hongos siguen estando sinérgicamente entrelazados con las raíces de más del 95% de las especies vegetales. Las plantas ancestrales quizá no fueran capaces de adentrarse en tierra sin hongos que les procuraran nutrientes. La cubierta arbórea primigenia, los primeros suelos forestales, parecen haber sido creados no sólo por las plantas, sino por la acción conjunta de plantas y hongos.

El reino de las plantas es (y siempre lo ha sido) casi enteramente terrestre. Los ancestros de este reino surgieron, naturalmente, de entornos acuosos, pero la mayoría de sus descendientes se quedaron en tierra. Las plantas terrestres primitivas tuvieron que superar desafíos casi insuperables. En aquellos tiempos las tierras emergidas eran despiadadamente irradiadas y esquilmadas de las sales de nitrógeno y fósforo absolutamente necesarias para el crecimiento vegetal. Es más, la tierra era y es un abastecedor poco fiable de ese recurso vital, el agua. Hasta el Silúrico, en que plantas y hongos comienzan a ocupar la tierra, las bacterias verdeazuladas y demás monopolizaban los desolados continentes.

Micorrizas: exenciales para la existencia
de los ecosistemas terrestres.

Kris Pirozynski ha sugerido que los frutos —cuyos colores, sabores y aromas todavía impresionan nuestro sentido primate de la estética— evolucionaron a raíz de interferencias con los reinos fúngico y animal. Su hipótesis intenta explicar el vacío existente en el registro fósil entre la difusión de las plantas con flores y la aparición de frutos carnosos, un lapso de más de cuarenta millones de años. Pirozynski propone que el primer fruto apareció tras una transferencia de genes fúngicos que quedaron incorporados en el ADN cromosómico de la planta. Este proceso es similar al que origina las agallas. Las agallas son tejidos vegetales simbióticos inducidos por insectos, hongos o bacterias. Se trata de tumores abultados, a veces de aspecto un tanto monstruoso, que se encuentran principalmente en árboles y arbustos, y que en algunos casos recuerdan frutos.

En muchas plantas la formación de agallas es causada por la penetración de Agrobacterium. Esta bacteria del suelo puede transferir fragmentos cortos de ADN en forma de plásmidos a las células de las raíces y tallos de plantas susceptibles, cuyos núcleos incorporan así genes bacterianos. La biotecnología emplea Agrobacterium para introducir genes deseables en plantas cultivadas. Pirozynski especula que los genes fúngicos podrían haber infiltrado las plantas de modo parecido. La importancia de las infecciones fúngicas en la aparición relativamente abrupta y tardía de los frutos en muchas plantas con flores del Cretáceo sigue siendo una interesante hipótesis. En cambio, la sinergia planta-hongo, ejemplificado por las agallas, es un hecho establecido.

¿Qué es la vida?
(1996)

domingo, 10 de enero de 2021

El talón de Aquiles de la biosfera

Los hongos saprófitos son de vital
importancia para nuestros bosques.

Por LYNN MARGULIS y DORION SAGAN

Los hongos se parecen a los animales en que, al no ser capaces de producir alimento, dependen para su nutrición de las 'donaciones' de otros. Desde el punto de vista ecológico, sin embargo, ambos reinos son marcadamente distintos. Los hongos son indispensables para la formación del suelo al descomponer la roca intratable. Contribuyen al asentamiento del manto de vida en expansión. Son el talón de Aquiles de la biosfera.

Sin los hongos, las plantas y en última instancia todos los animales se quedarían sin suministro de fósforo (componente esencial del ADN, ARN y el ATP). También hacen de mediadores en los intersticios de las redes tróficas. Los sabios árabes que clasificaron los hongos entre los reinos vegetal y mineral no iban del todo desencaminados. Cuando los hongos toman posesión de un cuerpo, enseguida se pone de manifiesto su naturaleza material. Los cuerpos se convierten en humus rico en carbono. Los hongos descomponen cadáveres y se alimentan de tejidos vivos, como la piel de los pies sudorosos. Durante más de 400 millones de años sus esporas han estado dispersando micelios por una despensa a escala planetaria. Son los basureros de la biosfera, responsables de reciclar lo muerto.

Descomponen pan, frutas, cortezas, exoesqueletos de insectos, pelo, cuerno, monturas de lentes, celuloide, vigas, algodón, plumas, cabellos y uñas. Como equipos de limpieza portátiles, los hongos viajan alrededor del mundo en forma de esporas transportadas por el aire. Casi nada está exento de sus prestaciones gastronómicas. De hecho, su celo reciclador es tan grande que muchos comienzan a actuar aun antes de que el organismo haya muerto. En enfermedades como el pie de atleta o la tiña, los hongos se adelantan en su labor de redistribución de elementos en el seno de la biosfera.

Ya crezcan sobre la epidermis humana, ya descompongan las fibras de celulosa de la ropa o cubran de esporas grises los granos de uva, los hongos digieren las sobras de otros. Lo que para nosotros es «descomposición» para los hongos es el saludable crecimiento de una nueva generación. Sin hongos ni bacterias que descompongan las macromoléculas complejas, los cadáveres de plantas y animales se acumularían dejando el fósforo y el nitrógeno fuera de circulación.

En tierra, son los hongos los que se encargan de la mayor parte del tratamiento de desechos en la biosfera. A diferencia de los grupos humanos, que han sobrevivido como nómadas contaminadores durante generaciones, desplazándose y dejando atrás montones de basura, biosfera simplemente no puede arrojar sus desechos fuera de los confines planetarios. En la Tierra, la basura sólo se traslada de un sitio a otro. La especie humana se está aproximando ahora al grado de eficiencia sanitaria alcanzado hace 400 millones de años por los hongos, que no sólo eliminan la basura, también la reciclan. Así, suplementando la acción de las bacterias, reciclan carbono, nitrógeno, fósforo y demás; en un paisaje continental dominado por las plantas —y los animales— amplían la autopoyesis planetaria hasta la tierra seca, modificando permanentemente la superficie terrestre.

¿Qué es la vida?

(1996)

miércoles, 20 de febrero de 2019

Hola, soy un hongo, ¿quieres vivir conmigo?


Los líquenes seleccionan las algas mejor adaptadas al lugar donde crecen. Un estudio del CSIC prueba la pericia de Cetraria aculeata para asociarse. La simbiosis es pieza clave en la naturaleza y es un motor de la evolución.

Por PEDRO CÁCERES

Tengo una amiga que cuando quiere meterse con alguien al que considera amuermado, le dice: «Tienes menos vida social que un liquen». Como broma no está mal. Los líquenes parecen el colmo de la vida aburrida. Son unos organismos pequeños, discretos, resistentes e inmóviles. Sobreviven a todo tipo de temperaturas extremas y pueden hacerlo sin apenas agua ni comida. Viven donde muchos otros no consiguen hacerlo, pero a cambio tienen una apariencia de lo más callada y pueden pasarse meses pegados a sus rocas sin que parezca que pasa nada con ellos.

Cuesta creer que estén vivos. Pero vaya si lo están. Y su vida social, además, es de lo más animada. De hecho, son organismos que nunca están solos. No pueden estarlo porque en realidad no son una cosa, sino dos a la vez, o la suma de ellas. En todos los líquenes del mundo conviven a la vez un hongo y un alga, es decir, dos seres vivos distintos, dos especies diferente que se unen para formar una tercera totalmente nueva.

De manera que no puede decirse que un liquen tenga poca vida social. Más bien, él mismo es una completa sociedad, un matrimonio o una 'joint venture', usando la jerga económica más al uso actualmente.

Lo que los líquenes practican es un fenómeno conocido como simbiosis y que consiste en la unión duradera de dos seres que obtienen beneficios por ello. En su caso, el alga aporta la capacidad de realizar la fotosíntesis para nutrirse y el hongo contribuye con su resistencia a condiciones ambientales extremas. Esta ganancia mutua es un tipo de asociación que se define como mutualismo y que está mucho más extendida de lo que se cree.

Simbiosis, el secreto de la vida

En la naturaleza existen otros tipos de interacciones entre organismos. Las de parasitismo, en las que uno se aprovecha de otro y le 'chupa la sangre', o las de comensalismo, en las que uno rapiña lo que se le cae al otro, son una versión 'light' de otra bien conocida, la de depredación. A todos nos parece que esa es una forma abundante de relación en el mundo natural. Un tipo de situación que responde a la idea hobbessiana de un mundo cruel, donde el hombre es un lobo para el hombre.

Sin embargo, muchos ecólogos creen que este es un error de percepción. En realidad, las relaciones más importantes en la naturaleza son las de cooperación entre organismos, las relaciones de simbiosis, no las de depredación.

Nuestro propio cuerpo funciona gracias a los microorganismos que habitan en nosotros y contribuyen a funciones vitales como la digestión. Lo mismo ocurre con los árboles, que pueden alimentarse bien gracias a que en sus raíces crecen hongos simbiontes llamados micorrizas que les permiten capturar nutrientes. Y también es mutualismo puro el proceso de evolución convergente llevado a cabo por las plantas con flor y los insectos que las polinizan. Unas obtienen beneficios reproductivos y los otros perciben comida.

En realidad, algunos biólogos defienden que la simbiosis es la clave de la vida y realmente tendríamos que entender el mundo no de la negra forma que lo percibió Hobbes, sino desde la mucho más 'buenista' percepción de Rousseau. Somos buenos por naturaleza, o más exactamente, la naturaleza ha demostrado que cooperar es una forma eficiente de afrontar la existencia. ¿Para qué comerte al vecino si puedes montar un negocio con él?

Una visión extrema del papel de la simbiosis en nuestro planeta es la que defiende y ha demostrado en buena parte la eminente bióloga evolucionista Lynn Margulis. La científica estadounidense, que estuvo casada con el cosmólogo Carl Sagan, provocó una revolución en los años 60 al afirmar que el surgimiento de las células con núcleo (eucariotas), que fueron el inicio de toda la vida compleja que ahora hay sobre el planeta, se debió a la unión de diversas células simples o procariotas.


La teoría de Margulis abre una visión de vértigo sobre el concepto de existencia. Porque lo que defiende, además, es que la evolución no se debe sólo al gradual cambio acaecido en las especies tras las mutaciones genéticas, sino que hay un motor distinto al descrito por Darwin que es la fusión entre organismos completos distintos (bacterias) para formar organismos nuevos.

Según Margulis, nuestras propias células llevan dentro de cada una el testimonio de una simbiosis primitiva. La científica ha logrado que muchos de sus colegas admitan que las mitocondrias que todos tenemos dentro de nuestras células y que llevan a cabo el proceso de respiración celular son en realidad bacterias simples que quedaron integradas en las células complejas de nuestros ancestros. Sacamos a pasear todos los días a los orgánulos de nuestras células sin saber que llevamos con nosotros a antiguos seres unicelulares que han pasado a formar parte de nosotros mismos.

Hongo busca alga para vivir

Estamos construidos con bacterias asociadas entre sí, defiende la teoría de la simbiogénética. Y asociarse entre sí es lo que siguen haciendo de forma bien abierta hongos y algas. Ahora, una reciente investigación llevada a cabo por científicos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha desvelado algunas novedades sobre las habilidades de cierto tipo de liquen, probando que el hongo que lo forma no se asocia con cualquier alga, sino que selecciona a aquellas variedades, dentro de la misma especie, que le permiten adaptarse mejor a las circustancias externas.

Un equipo internacional de científicos, entre los que se encuentran investigadores del CSIC, ha demostrado que una especie de liquen denominada Cetraria aculeata coloniza distintos ambientes gracias a que selecciona algas genéticamente adaptadas a esos entornos. Es la misma especie de alga, pero muestra pequeñas variaciones locales que la hacen más exitosa.


Los resultados del estudio, publicado en la revista Molecular Ecology, confirman que estos organismos, tan extendidos en los ecosistemas boreales y polares, son sistemas biológicos dinámicos y abiertos.

«Los líquenes son organismos altamente especializados en los que las líneas que separan los conceptos de individuo, especie y ecosistema se desdibujan. Su vida simbiótica ha sido adoptada por multitud de hongos diferentes, lo que les permite colonizar ambientes muy diversos», explican dos de los autores del estudio, los investigadores del CSIC en el Real Jardín Botánico de Madrid María Paz Martín y Miguel Ángel García, en una nota remitida por la institución científica.

El trabajo ha sido coordinado por científicos del Biodiversity and Climate Research Centre y el Senckenberg Research Institute, ambos en Frankfurt (Alemania). Los investigadores han estudiado las trazas genéticas de la trayectoria geográfica, histórica y evolutiva del liquen Cetraria aculeata, una especie que no sólo habita en las regiones polares de los dos hemisferios, sino que además puede crecer en cadenas montañosas de latitudes intermedias como el Himalaya, indica el CSIC en una nota de prensa.

Tras secuenciar tres marcadores genéticos del hongo y tres del alga, observaron que el hongo se originó en el hemisferio norte y fue capaz de dispersarse hasta el hemisferio sur en un periodo de tiempo relativamente corto.

«En esta especie de liquen, el hongo y el alga se dispersan juntos mediante la fragmentación del talo. Aunque cabría esperar que los patrones genéticos del alga y del hongo fuesen semejantes, hemos visto que no es así, ya que este hongo presenta algas genéticamente dispares en distintas regiones geográficas», explica García. Esto indica, según los investigadores, que los líquenes como Cetraria aculeata son sistemas biológicos dinámicos y abiertos, capaces de encontrar las variedades de alga mejor adaptadas a una región y listos también para cambiar de alga. Eso es lo que les ha permitido expandirse de forma rápida al encontrar las más apropiadas para prosperar.

Vivir juntos es mejor, dicen los líquenes. Elegir bien también ayuda.

NATURA-EL MUNDO
04/07/2011

viernes, 11 de enero de 2019

Microbios en la niebla

DESCUBRIENDO EL PAPEL
DE LOS MICROBIOS EN LA BIOSFERA

R. GUERRERO y M. BERLANGA

Hasta alcanzar el conocimiento actual sobre la historia de la Tierra y de la vida, muchas hipótesis han intentado explicar lo que tal vez sucedió en los orígenes. Durante mucho tiempo los humanos creyeron que nuestro planeta era el centro del universo y que desde el principio había ido preparándose para albergar la vida en su seno. Una vida cuya máxima representación iba a ser nuestra especie; una preparación cuya máxima gestación no pasaba de seis días. Y aunque ahora sabemos que nuestro planeta es un punto azul minúsculo perdido en un espacio inmenso, mantenemos la idea de que fueron las características especiales (constitución química, posición en el espacio) de la Tierra las que permitieron que la vida se originase aquí y no en otros lugares.

Una trémula luciérnaga viajera

Nuestro Sol empezó su existencia hace unos 5.000 millones de años. Desde entonces, gira alrededor de la Vía Láctea en una órbita casi circular y tarda en hacerlo unos 226 millones de años. El Sol tiene pequeños cuerpos no luminosos que giran a su alrededor; son los planetas. En el que ocupa la tercera posición a partir del centro, la Tierra, se distingue claramente de sus vecinos: tiene una atmósfera alejada del equilibrio y produce luz propia debido a los grandes incendios de bosques, o la luminosidad de las ciudades. Cada año da una vuelta a su estrella. Pero un año no es mucho para la vida de una persona. Ni 226 millones de años, para la de la Tierra. La biosfera es muy antigua; la Tierra «viva» tiene aproximadamente 3.800 millones de años, «sólo» 750 millones de años menos que el propio planeta. El origen de la vida, o biopoyesis, pudo haberse producido en nuestro planeta, quizás varias veces, poco después de que hubiera agua líquida. Si la biopoyesis se produjo en Venus y Marte en algún momento de su historia «geológica», tal vez no continuó en ninguno de ellos. Lo que hizo posible el mantenimiento de la vida en la Tierra fue el desarrollo de los ecosistemas, o ecopoyesis, que evitó el agotamiento de los elementos biogénicos de la superficie del planeta, cosa que habría ocurrido en un tiempo máximo de 200 o 300 millones de años y que habría provocado la extinción primigenia de la vida. Desde entonces, el establecimiento de las cadenas tróficas, en el que los productos del metabolismo de unos organismos sirven de nutrientes para otros, permite el reciclado de la materia. La actividad de estos ecosistemas determinó la evolución posterior del planeta, que hasta hace aproximadamente 1.800 millones de años tuvo como únicos habitantes los procariotas (Guerrero, 1998). La vida es una fuerza geológica y actúa sobre el planeta de manera que las condiciones ambientales necesarias para el mantenimiento de la misma vida sean «estables» (adecuación de la temperatura, de la composición química de los suelos y de las proporciones de gases presentes en la atmósfera). Eugene Odum (1913-2002) apoyó la idea de la biosfera como un sistema homeostático formado por componentes vivos. La vida puede ser una ineludible consecuencia de la evolución planetaria, una continuación del desarrollo físico del Universo (Guerrero et al., 2002). Sabemos que hay vida en la Tierra «algunos dicen que hasta inteligente»; sabemos que no hay vida en la Luna; el siglo XXI nos dirá si hay vida, o la hubo, en nuestros vecinos más cercanos del sistema solar, como Marte, Venus, Europa (luna de Júpiter) o Titán (luna de Saturno).


Contribución de los microorganismos a la biología

The Microbe's Contribution to Biology (Harvard University Press, 1956) es el título del libro de Albert Jan Kluyver (1886-1956) y Cornelis Bernardus van Niel (1897-1985) basado en las conferencias «John M. Prather» que estos microbiólogos impartieron en la Universidad de Harvard el mes de abril de 1954. Kluyver es el padre de la bioquímica comparativa, propuso la idea de la unidad bioquímica de la vida y promulgó la utilización de los microorganismos para elucidar las vías metabólicas y las transformaciones energéticas de la materia; en su aplicación supuso que toda la vida estaba conectada por el reciclado de la materia y todos los organismos estaban conectados a través de la red de los ecosistemas.

La continuidad y unidad de la vida que conocemos se pone de manifiesto en la uniformidad de los sistemas genéticos y de la composición molecular que la integran («Lo que es cierto para Escherichia coli lo es también para el elefante», según Jacques Monod [1910-1976]). La vida es químicamente conservadora. La biología molecular muestra de forma convincente que toda la vida actual sobre la Tierra comparte un antecesor común. La vida que conocemos siempre está compuesta de la combinación de compuestos químicos (carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre, fósforo y migajas de otros) en una solución acuosa. Las primeras células de nuestro linaje fueron sistemas proteicos limitados por membranas, basados en el ARN y ADN y dotados de autopoyesis (automantenimiento) (Maturana y Varela, 1980). Intercambiaban constantemente sus materiales constituyentes con el medio externo. Daban salida a los residuos a medida que adquirían alimento y energía. Nuestros genes provienen, a través de una secuencia ininterrumpida, de las mismas moléculas que estaban presentes en las células primitivas que se formaron en las orillas de las primeras masas de aguas cálidas y poco profundas.

Existe un lazo íntimo entre la evolución y los organismos. La evolución conecta la vida a través del tiempo y, como en todo proceso evolutivo, los organismos y sistemas posteriores no pueden prescindir de los organismos y sistemas que los precedieron. Las primeras formas de vida eran células procariotas y durante el 85% de historia de la vida sobre la Tierra fueron sus únicos habitantes. Los procariotas (bacterias y arqueas) inventaron todas las estrategias metabólicas que conocemos (Leigh, 2002). Un «error» metabólico, la producción de oxígeno, originó la vida aeróbica; otro estratégico, la endosimbiosis, originó la célula eucariota (con núcleo diferenciado). Ambos «errores» han permitido que la vida adopte formas y dimensiones muy variadas, desde los microorganismos y plantas microscópicas hasta las secuoyas, los grandes dinosaurios, las ballenas o los seres humanos. Las plantas y animales emergieron de un mundo microbiano y mantienen un estrecho vínculo de dependencia con los microorganismos (Guerrero y Berlanga, 2003).

Los seres 'invisibles'

La vida no sólo comenzó con los microorganismos procariotas, sino que la continuidad de la existencia de la vida sobre la Tierra recae inconspicuamente sobre ellos. La ubicuidad de los microorganismos se basa en cinco características principales: (1) su tamaño pequeño, que les permite una gran capacidad de dispersión; (2) su variabilidad que les permite ocupar nichos ecológicos muy diversos; (3) su flexibilidad metabólica, que les permite tolerar y adaptarse rápidamente a condiciones ambientales desfavorables; (4) su plasticidad genética (o gran capacidad de transferencia horizontal de genes), que les permite recombinar y recolectar los caracteres favorables; y (5) su capacidad de anabiosis o «letargo» (con formas no activas), que les permite persistir durante largo tiempo adaptándose a condiciones ambientales cambiantes.

Aunque todos sabemos que las bacterias son pequeñas, la importancia de este «simple» hecho no es siempre apreciado. Dado que el principal papel ecológico de estos organismos es el reciclado de elementos, probablemente no es un accidente que las bacterias sean y hayan permanecido pequeñas durante toda la historia evolutiva de la vida en la Tierra. La velocidad y sentido de las reacciones químicas están profundamente determinadas por la relación entre la superficie y el volumen (S/V) de los reactantes (las células), por lo que las células frecuentemente intentan maximizar esta variable.

Las bacterias, cuyos tamaños celulares oscilan entre 0,5 a pocos micrómetros de diámetro, tienen valores de S/V 100-1.000 veces mayor que la mayoría de las células eucariotas, entre 20 y 100 μm de diámetro. El tamaño de las bacterias básicamente está regido por limitaciones en la difusión de los sustratos (límite superior de tamaño) y por el volumen (acumulado) que ocupan las diferentes moléculas y/o estructuras (límite inferior de tamaño) (Nealson, 1997; Schulz y Jørgensen, 2001). Según esto, las periódicas reclamaciones del «descubrimiento» de procariotas de diámetro inferior a 80-100 nm son difíciles de creer (Tabla 1). El último caso que conocemos (primero a través de los media, que dieron de la noticia una amplia difusión) es el del artículo: «Evidence of nanobacterial-like structures in calcified human arteries and cardiac valves», de Miller et al., 2004). Según los autores (catorce, la mayoría médicos del departamento de cirugía de la Clínica Mayo de Rochester, Minnesota), habían descubierto procariotas de 30 nm de diámetro, responsables de la formación de partículas calcificadas en arterias. Ese tamaño, 30 nm es aproximadamente el que tiene un solo ribosoma eucariótico, 80S (el procariótico, 70S, tiene unos 20 nm).


Según el modelo actual de la «célula mínima» que admitimos (unos pocos centenares de genes, maquinaria sintetizadora de proteínas completa), esas dimensiones mínimas no serían posibles, por mucho que nos empeñemos en añadir el prefijo «nano-» delante de la palabra bacteria. (Nota: incluimos la cita del artículo de Miller et al. [2004] no sólo para que el lector/a pueda juzgar por sí mismo/a, sino para contribuir a aumentar el IF [«impact factor», del Institute for Science Information, Philadelphia, Pennsylvania] del artículo en cuestión, con lo cual llegará a ser muy citado dentro de su año de publicación.)

En la naturaleza, la carencia de nutrientes y la exposición a otros factores abióticos adversos constituyen la norma, más que la excepción. Las condiciones de abundancia y hambruna («feast and famine») y la competencia con el resto de la microbiota en un hábitat resultan habituales. Toda célula consume todo lo que tiene alrededor. El destino de una célula, de una bacteria, de cualquier vida, es reproducirse, ocupar un espacio y agotar el ambiente donde se encuentra. La búsqueda de alimento y el movimiento celular es una propiedad emergente de las primeras etapas de la vida donde, independientemente de lo suculento de la «sopa», la presencia de comensales conducía necesariamente a la oligotrofia y a la hambruna.

En los medios acuáticos está ampliamente extendida la alternancia entre microorganismos en estado planctónico, o movible, y células en estado béntico, o sésil. Los microorganismos sésiles forman biopelículas («biofilms»). Una biopelícula es una asociación compleja de microorganismos, constituida por una o varias especies, unidos a una superficie y embebidos en una matriz de polímeros extracelulares de origen microbiano (Stoodley et al., 2002). Las biopelículas carecen generalmente de productores primarios y dependen de fuentes exógenas para el aporte de materia orgánica. La adhesión de los microorganismos desencadena la expresión de compuestos que favorecen la activación de un gran número de genes. Fenotípicamente, estas células sésiles son distintas de cuando eran o se hacen planctónicas. La formación de la biopelícula es un fenómeno de percepción de quórum («quorum-sensing») (Henke y Bassler, 2004; Parkinson, 2004). Generalmente, cada célula secreta pequeñas cantidades de una «molécula de comunicación» (p.ej. N-acil-homoserina lactona). Cuando se agrega un número suficiente de células (es decir, cuando se ha alcanzado un determinado nivel de densidad poblacional), la concentración de esta sustancia en el medio aumenta, con lo que se activan diferentes genes de cada célula de la población. Los tapetes microbianos son unas biopelículas complejas y multilaminares que constituyen auténticos ecosistemas gracias a la presencia de representantes de tres grupos funcionales: productores primarios (es decir, fotoautótrofos), consumidores y descomponedores. Los tapetes microbianos pueden considerarse ecosistemas en el sentido de que presentan un ciclo de materia casi cerrado, al menos en sentido vertical (eje Z), y una expansión superficial no limitada (ejes X, Y) (Guerrero et al., 2002).

Las bacterias en el interior de la biopelícula, o de los tapetes microbianos, forman una comunidad funcional coordinada. De hecho, las biopelículas se asemejarían a los tejidos formados por células eucariotas en su cooperatividad, y en que están «protegidas» de las variaciones bruscas de las condiciones ambientales mediante el mantenimiento de una «homeostasis primitiva» dentro de la matriz de exopolímeros (Paerl et al., 2000; Des Marais, 2003). Estos polímeros retienen la humedad y los nutrientes, y permiten la formación de microambientes dentro de la matriz, que distribuyen los organismos en función de las condiciones abióticas óptimas o permisivas imperantes. Es importante considerar el valor de esta estrategia en la Tierra primitiva. En los primeros ecosistemas acuáticos las bacterias eran atraídas hacia los nutrientes que se concentraban de forma natural sobre las superficies. El agrupamiento, en ausencia de depredación, hacía que las bacterias estuvieran protegidas de la deshidratación, radiación ultravioleta, dispersión por el movimiento del agua, etc. La selección positiva de las biopelículas en los ecosistemas actuales se pone de manifiesto por el predominio de este modo de crecimiento de células «inmovilizadas» en una matriz de exopolisacárido en todos aquellos ecosistemas que lo permiten. G. Evelyn Hutchinson (1903-1991) observó que los actores (microorganismos) pueden cambiar de un teatro (hábitat) a otro, pero la representación en el escenario (procesos fisiológicos) será igual para la misma obra (un ambiente determinado, unas relaciones específicas). Un ejemplo de esta observación puede comprobarse en la gran variedad de tapetes microbianos estudiados (entre otros, Navarrete et al., 2000; Abed y García-Pichel, 2001; Che et al., 2001; Wieland et al., 2003; Villanueva et al., 2004).

Haciendo 'visibles' los microorganismos

En el descubrimiento de los microorganismos se pueden destacar tres etapas: la etapa microscópica, la etapa patogénica y la etapa ecológica. En la primera, se sabía que los microorganismos existían, que tenían una forma definida en el espacio y que permanecían con el tiempo, pero se consideraban simples «curiosidades» para el intelecto humano. Nos resultaba imposible pensar que aquellas minúsculas criaturas tuvieran alguna función. En la segunda etapa, con los padres de la microbiología, Louis Pasteur (1822-1895) y Robert Koch (1843-1910), se tiene la certeza que los microorganismos son los causantes de las enfermedades infecciosas y los agentes contaminantes de los alimentos y las aguas. En la tercera, con la ecología microbiana, que empieza con las investigaciones pioneras de Martinus Beijerinck (1851-1931), Sergei Winogradsky (1856-1952), los microorganismos y sus actividades cierran el reciclado de la materia en los ecosistemas y por tanto controlan la evolución de la biosfera.

La ecología microbiana se desarrolla como disciplina independiente sólo durante la segunda mitad del siglo XX. El primer libro de texto con el nombre de ecología microbiana (Principles of Microbial Ecology) fue publicado en 1966 por Thomas D. Brock (nacido en Cleveland, Ohio, en 1926). Esta ciencia ha demostrado que los principios ecológicos generales son aplicables a los microorganismos y que estos principios pueden integrarse en los actuales paradigmas ecológicos (Pedrós-Alió y Guerrero, 1994). El estudio de la biodiversidad de un determinado ecosistema (un bosque, un lago, un mar) estaría incompleto sin la inclusión de los microorganismos, ya que ellos contribuyen de manera esencial al funcionamiento global del planeta y al desarrollo sostenible de la biosfera (Schaechter et al., 2004).


Es tarea de la ecología microbiana investigar el papel de los microorganismos en la naturaleza. En el pasado, la ecología microbiana estaba fragmentada en muchas disciplinas distintas, tales como la microbiología del suelo, la microbiología de los alimentos, la microbiología marina, etc. Sin embargo, ahora se intenta integrar todos estos campos en una visión unificada y unificadora. Un ejemplo es la nueva visión de cómo actúan los microorganismos que causan las enfermedades infecciosas; de hecho, se piensa que es un problema ecológico del microbio y su ambiente, del huésped en el caso de la enfermedad (Lederberg, 2003; Hall-Stoodley et al., 2004).

El campo de la ecología microbiana ha experimentado cambios revolucionarios en estos últimos años debido al impacto de las nuevas tecnologías de la biología celular y molecular. Los microorganismos constituyen el principal componente de biodiversidad, pero se requiere unas herramientas (avances tecnológicos e intelectuales) apropiadas para cuantificar esta diversidad, tanto en «modelos» como en las comunidades naturales. La evaluación de la diversidad (microorganismos presentes), de la distribución (heterogeneidad espacial y temporal de las comunidades en su ambiente), y de la actividad (funciones de los microorganismos) han estado limitadas durante muchos años al estudio de la microbiota que puede ser cultivada en el laboratorio (cultivos axénicos). Las técnicas de enriquecimiento y aislamiento de microorganismos establecen unas condiciones ambientales artificiales que sólo permiten el desarrollo de unos pocos microorganismos, los más aptos para este ambiente fabricado. Sin embargo, estas «condiciones» son resultado de la habilidad, persistencia y suerte del investigador (Guerrero et al., 1999). No debe sorprendernos, pues, que la vasta inmensidad del mundo microbiano permanezca incultivable (Stahl y Tiedje, 2002). De las especies actualmente conocidas se estima que se han descrito el 85 al 90% de las de plantas y animales vertebrados, menos del 5% de las de hongos y menos del 1% de las «especies» de procariotas (Schaechter et al., 2004).

La información genética proporciona la vía de acceso a aquellas criaturas que son difíciles de cultivar en el laboratorio. La «secuenciación del mundo microbiano» permitirá descubrir qué microorganismos tienen determinados genes necesarios para un particular ambiente y cómo estos genes les permiten adaptarse a otros hábitats menos usuales. Además, aportará las bases para predecir qué características podría tener un nuevo microorganismo basándonos en las actividades (genes) de sus vecinos. No obstante, la genómica por sí sola no puede representar un cuadro acabado de la realidad biológica. Una de las limitaciones de la aplicación de las técnicas moleculares de muestras ambientales es que los resultados obtenidos por el momento suelen ser cualitativos y no cuantitativos. Aunque obviamente sí que es útil saber qué hay en una muestra, en microbiología es también importante conocer la abundancia relativa de los diferentes organismos. Otro reto de la biología molecular es poder convertir estas «piezas inanimadas de información» (genes) en conocimiento de la actividad celular. La integración de los estudios tradicionales de fisiología y genética con las técnicas modernas de la genómica ofrece la oportunidad de avanzar en el estudio de la evolución microbiana y entender cómo actúan los microorganismos y cómo controlan la biosfera. La única manera de comprender un genoma es mirar dónde vive este genoma, conocer su hábitat natural y comprender el complejo entramado de interacciones bióticas y abióticas. El ambiente es el contexto en el que evoluciona y funciona un material genético, y el que, en el fondo, determina la supervivencia y complejidad del genoma (Stahl y Tiedje, 2002).

Otro aspecto de la ecología microbiana que está en sus inicios es el estudio de las asociaciones microbianas con plantas y animales, o entre microorganismos. Es importante determinar la naturaleza fisicoquímica e interdependencia funcional entre los diferentes organismos implicados en una simbiosis. Sin estas relaciones simbióticas con microorganismos, ninguna planta o animal podría sobrevivir en el ambiente natural. Estamos acostumbrados a seguir el proceso de cambio de alimentación en un bebé, desde que nace hasta que tiene año o año y medio. Pero ¿qué es el progresivo cambio de alimentación? ¿Leche sola, leche y papillas, papillas solas, alimentos sólidos desmenuzados? Sino la lenta incorporación de distintas poblaciones microbianas y el establecimiento de una microbiota intestinal cada vez más parecida a la del adulto.

Los microorganismos, componentes imprescindibles de la biosfera

Dos enzimas esenciales para la vida, la rubisco y la nitrogenasa, son exclusivamente procarióticas y cumplen una función primordial en los ciclos biogeoquímicos. La rubisco (ribulosa bisfosfato carboxilasa oxilasa), es la enzima responsable de captar el CO2 de la atmosfera o del agua y juntarlo a una pentosa, para fabricar nuevo alimento. La encontramos en las bacterias fotosintéticas oxigénicas, en las fotosintéticas anoxigénicas rojas del azufre, en muchos quimiolitotrofos y en unos corpúsculos de la célula eucariótica: los cloroplastos de algas y plantas. Los cloroplastos tienen ADN, ARN y ribosomas propios. Su ADN presenta una homología del 95% con algunos grupos de cianobacterias. Los cloroplastos son cianobacterias que han establecido una endosimbiosis permanente. Sin lugar a dudas, la rubisco es una enzima procariótica que ha pasado a la célula eucariota por endosimbiosis permanente.

Pero la nitrogenasa no ha pasado nunca al mundo eucariótico, ni siquiera por endosimbiosis. La nitrogenasa utiliza el nitrógeno atmosférico para la formación de aminoácidos. Esta enzima sólo funciona en condiciones anóxicas, y es exclusiva de bacterias y arqueas. Los procariotas fijadores de nitrógeno pueden ser de vida libre o formar simbiosis, por ejemplo con plantas leguminosas, o con el aliso (Alnus), o con Coriaria, etc. Otra contribución imprescindible de los procariotas en el ciclo del nitrógeno recientemente observada es la oxidación anaeróbica del amonio (proceso denominado «anamox»). La anamox implica la oxidación de amoníaco con nitrito como aceptor de electrones, obteniendo nitrógeno gaseoso. Brocadia anammoxidans es el organismo que cataliza la anamox mejor conocida (Jetten et al., 2002; Guerrero y Berlanga, 2003).


Los microorganismos son los responsables del reciclado de los elementos esenciales para la vida, carbono, nitrógeno, azufre, hidrógeno y oxígeno, etc. Mediante el reciclado de estos elementos en el suelo, los microorganismos regulan la disponibilidad de nutrientes para las plantas, gobiernan la fertilidad del suelo y el desarrollo de las plantas que sustentan la vida animal, incluida la humana. Los microorganismos son capaces de utilizar nutrientes y otros elementos que otros organismos «superiores» no pueden explotar. Por tanto, suelen constituir la base de la cadena alimentaria en la que las sustancias inertes pasan a la biosfera. Los microorganismos desempeñan un papel fundamental en el reciclado de los gases atmosféricos, como los responsables del efecto «invernadero», que, paradójicamente, por un lado sustentan la vida en nuestro planeta pero, por otro, debido al aumento global de la temperatura ponen en peligro la propia vida (eucariótica).

Los microorganismos son los principales, si no los únicos, responsables de la degradación de una gran variedad de compuestos orgánicos, como la celulosa, hemicelulosa, lignina y quitina (los compuestos orgánicos más abundantes en la Tierra). Si no fuera por la degradación microbiana, toda esta materia orgánica se acumularía en los bosques y sedimentos. Además, los microorganismos son responsables de la degradación de compuestos químicos tóxicos derivados de la actividad antropogénica, tales como los policlorinados bifenilos (PCB), dioxinas, pesticidas, etc.

Las plantas, los humanos y otros animales somos completamente dependientes de la vida microbiana. Más del 90% de las células en nuestro cuerpo son microorganismos; bacterias y hongos cubren nuestra piel, tapizan nuestra boca y mucosas, proliferan en nuestro intestino. Aquí, facilitan una correcta digestión de los alimentos, sintetizan nutrientes esenciales, y estimulan nuestro sistema inmunitario. Su presencia influye en nuestra salud. Los humanos vivimos en un estado dinámico de coexistencia con una miríada de formas microbianas. El cuerpo humano constituye el hábitat exclusivo para muchas comunidades microbianas que interaccionan mutualísticamente con «nosotros», ya que podríamos decir que «nosotros somos nosotros y nuestras circunstancias microbianas». La mayoría de los microorganismos del cuerpo son beneficiosos (nos mantienen sanos), mientras que otros nos provocan efectos adversos (microorganismos patógenos). ¿Es esta relación negativa la que ha marcado nuestro «odio» durante décadas a las bacterias? ¿Por qué en la publicidad de los media, especialmente de la televisión, no aparecen las palabras «microbio» o «bacteria» excepto en el contexto de cuando hay que eliminarlas con el desinfectante tal o son un peligro que hay que evitar con el medicamento tal?

Coda

Todos los seres vivos de la Tierra dependen de la vida procariótica. Los procariotas están presentes en todos los lugares en los que puede existir vida, ocupando un amplio abanico de condiciones ambientales, desde aquellos ambientes en que se dan las condiciones «ideales» para el crecimiento (ideales, obviamente desde el punto de vista de los «macroorganismos»), hasta los ambientes extremos (impensables para las formas «más evolucionadas», es decir, más recientes). Sin el conocimiento de los microorganismos la biología sería mucho más limitada, no sabríamos que hay vida en condiciones de temperatura, salinidad o pH extremas (para nosotros), la fotosíntesis solamente sería aeróbica y oxigénica (cuando fue «inventada» por los procariotas como anaeróbica y anoxigénica) y los seres vivos más longevos (como las secuoyas) no superarían los mil años de edad (que son unas «jovencitas» si las comparamos con los matusalenes de las endoesporas de las baciláceas).

La Tierra es una gran roca en el espacio, pero una roca viva, con múltiples formas cambiantes. Dentro de 5.000 millones de años, nuestro Sol «como le ocurrió a su antecesora, la estrella que nos dio origen» se convertirá en una gigante roja, se expandirá y quemará todos los planetas que tiene alrededor. Ni tan siquiera las bacterias, que desde el origen de la vida han poblado nuestro planeta y han sido capaces de resistir a unas 30 extinciones masivas, podrán escapar a la hecatombe. ¿O tal vez sí? Algunos científicos sospechan que las endoesporas, u otras formas de resistencia de las bacterias, pueden escapar de la Tierra. Polizones en fragmentos de roca disparadas hacia el exterior por el impacto de violentos asteroides, hace tiempo que viajan por el espacio buscando nuevos planetas donde anidar.

Vol 14, Nº 2 – Mayo/Agosto 2005.



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