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Contenido principal

Ecología e interacciones de los procariontes

Cooperación y organización "multicelular" en procariontes. Mutualismos, comensalismos y parasitismos. Ciclos del carbono y el nitrógeno.

Puntos más importantes:

  • Las bacterias pueden ser muy cooperadoras. Algunas incluso pueden formar estructuras organizadas muy parecidas a un tejido multicelular.
  • Las biopelículas o biofilms son colecciones de microorganismos fijos al sustrato que se adhieren unos a otros e intercambian nutrientes.
  • Algunos procariontes forman asociaciones estrechas con plantas, animales u hongos. Estas relaciones pueden ser mutualismos (+/+), comensalismos (+/0) o parasitismos (+/-).

Las bacterias: ¡sorprendentemente interactivas!

Si digo bacteria ¿qué palabra te viene primero a la mente? Es probable que no sea cooperadora. Sin embargo, las bacterias y otros procariontes (arqueas) han resultado ser sociales y cooperadores, mucho más de lo que los biólogos pensaron inicialmente.
Algunas bacterias cooperan en grupos, y reparten tareas metabólicas y comparten los productos. Otras forman asociaciones cooperativas con un organismo hospedero (aunque algunas también forman asociaciones neutrales o perjudiciales).
En este artículo, veremos primero cómo las bacterias cooperan entre sí y cómo forman comunidades organizadas (casi "multicelulares"). Luego, veremos algunas de las maneras en las que interactúan con otras especies.

Cooperación y "multicelularidad" en bacterias

Las bacterias con frecuencia se benefician de cooperar unas con otras. Esta cooperación puede ser superficial o puede estar coordinada al punto que comienza a parecerse mucho a la multicelularidad eucarionte.
Estos son algunos ejemplos de la cooperación bacteriana; puedes juzgar por ti mismo si realmente cuentan como multicelularidad o no (un asunto controvertido que sigue en curso en la biología)1,2.

Mixobacterias

Las mixobacterias son bacterias que viven en el suelo e interactúan entre ellas para formar grupos coordinados (y hasta estructuras complejas con células especializadas). Cuando hay muchos recursos disponibles, las mixobacterias forman grupos llamados enjambres. Un enjambre se mueve de manera coordinada y se alimenta al secretar enzimas digestivas sobre el suelo y absorber la materia digerida3.
_Crédito de imagen: "Myxococcus xanthus" por Michiel Vos (CC BY 2.5)_
Si los recursos escasean, las mixobacterias se unen para formar estructuras de tipo multicelular llamadas cuerpos fructíferos (imagen anterior). Dentro de los cuerpos fructíferos, las células maduran y se convierten en estructuras parecidas a esporas llamadas mixosporas. Cada mixospora tiene una pared celular gruesa que le permite sobrevivir por un largo periodo de tiempo. Cuando los recursos vuelven a estar disponibles, las mixosporas germinan y se forma un nuevo enjambre3.

Cianobacterias formadoras de cadenas

Las cianobacterias del género Anabaena no se separan para vivir por cuenta propia cuando se reproducen por fisión binaria (división celular bacteriana), sino que se mantienen unidas en cadenas de células interconectadas, como las que se muestran en la imagen de la izquierda.
_Imagen modificada de "Anabaena circinalis" por Imre Oldal (CC BY-SA 4.0). La imagen modificada está registrada bajo una licencia CC BY-SA 4.0_
Las células de las cianobacterias tienen la capacidad de realizar fotosíntesis y de fijar nitrógeno. Sin embargo, una sola célula no puede llevar a cabo ambos procesos al mismo tiempo porque el oxígeno liberado durante la fotosíntesis bloquea la fijación de nitrógeno (afecta a las enzimas fijadoras de nitrógeno)4.
Para resolver este problema, cuando hay poco nitrógeno disponible, algunas células de la cadena se convierten en heterocistos. Los heterocistos se especializan en la fijación de nitrógeno, a diferencia del resto de las células de la cadena que llevan a cabo la fotosíntesis5.

Biopelículas

Una biopelícula es un conjunto de microorganismos unidos por una sustancia viscosa (formada en su mayoría por carbohidratos) que ellos mismos secretan. En muchos casos, las biopelículas se forman mediante percepción de quorum. En la percepción de quorum, las bacterias intercambian señales que les permiten detectar la densidad poblacional y cambiar su comportamiento cuando la densidad sobrepasa cierto límite.
Las biopelículas a menudo están formadas por varios tipos de bacterias u otros microorganismos. En algunos casos, los diferentes miembros de la biopelícula son metabólicamente complementarios: unos producen las moléculas que otros pueden usar. Las biopelículas generalmente tienen canales permeables al agua que sirven para el intercambio de nutrientes y desechos, y que algunos biólogos comparan con un "sistema circulatorio primitivo"6.
La mayoría de las bacterias en la naturaleza probablemente vive sobre superficies, en lugar de flotar de manera libre, y las biopelículas se encuentran literalmente en todas partes. Se forman sobre las superficies de la casa como las cubiertas de la cocina, las tablas de cortar, los lavabos y los excusados. ¡Incluso la placa dental que te quita el dentista es una biopelícula!
_Crédito de imagen: "Biopelícula de Staphylococcus aureus" de Centers for Disease Control and Prevention (dominio público)_
Las biopelículas suelen llamar la atención cuando causan problemas. Las biopelículas patógenas (causantes de enfermedades) como la de Staphylococcus que se ve en la foto de arriba, pueden ser un problema grave en los hospitales. A menudo son difíciles de eliminar con antibióticos y pueden provocar infecciones persistentes si contaminan equipo médico como los catéteres. Otras biopelículas corroen las tuberías de metal y dañan equipos industriales.
A pesar de ello, algunas biopelículas tienen aplicaciones beneficiosas. Por ejemplo, se utilizan en las plantas de tratamiento de agua para eliminar la materia orgánica de las aguas residuales.

¿Multicelulares o no?

En los ejemplos anteriores, las bacterias interactúan de manera cooperativa. Hasta cierto punto, el comportamiento social de las células de una biopelícula es análogo a la cooperación de las células en un organismo multicelular y, al menos en mi opinión, Anabaena y las mixobacterias están bastante cerca de la multicelularidad.
Algunos científicos argumentan que estas bacterias cooperadoras califican como organismos multicelulares. Otros, sin embargo, dicen que los procariontes no pueden ser realmente multicelulares y que estos son solo grupos de individuos que cooperan entre sí (como las hormigas de un hormiguero, por ejemplo). El jurado sigue deliberando, ¡así que te toca ser el juez!

Bacterias mutualistas, comensales y parásitas

Acabamos de ver algunos casos especiales en los que las bacterias interactúan para formar asociaciones organizadas (¿nos atreveremos a decir multicelulares?). Sin embargo, muchos tipos de bacterias también forman relaciones cercanas con especies de eucariontes como los seres humanos, y con frecuencia viven en su interior.
Tres tipos importantes de interacción ecológica entre especies son mutualismo, comensalismo y parasitismo. Las bacterias pueden participar en los tres tipos de interacción. De hecho, ¡los seres humanos nos topamos con muchas bacterias de cada una de las categorías!

Mutualismo

Algunas bacterias forman mutualismos, relaciones de beneficio mutuo (+/+) entre dos organismos.
Por ejemplo. la bacterias Ruminococcus viven en el tracto digestivo de la vaca y descomponen la celulosa, un carbohidrato que se encuentra en la hierba, para convertirlo en una forma que la vaca puede utilizar. Sin estas bacterias, ¡las vacas no podrían digerir la hierba que comen! A cambio, las bacterias obtienen nutrientes y un lugar seguro donde vivir (el tracto digestivo de la vaca)7.

Comensalismo

Las bacterias pueden formar comensalismos, relaciones donde un organismo se beneficia y el otro no se ve afectado (+/0).
Por ejemplo, los seres humanos tenemos millones de bacterias que viven sobre y dentro de nuestros cuerpos, muchas de las cuales tienen una relación con nosotros que se considera comensal (al alimentarse de células muertas o productos del metabolismo, por ejemplo). Sin embargo, con frecuencia sucede que la relación resulta ser en realidad un poco mutualista o parasitaria (ve abajo) cuando se le examina con cuidado8.

Parasitismo

El parasitismo es una relación donde un organismo se beneficia y el otro se daña (+/-). Las bacterias parásitas son aquellas con las que los seres humanos estamos más familiarizados, y las que le dan a las bacterias su mala reputación de "bichos" malvados.
Las bacterias que causan enfermedades humanas toman recursos del cuerpo humano y también atacan al hospedero de otras maneras, lo que produce los síntomas desagradables de una infección bacteriana.
Los parásitos dañan a su hospedero de varias maneras, como sería invadir tejidos, producir toxinas, o causar daño directamente a las células hospederas9,10. Algunos parásitos, como el Toxoplama gondii que causa la toxoplasmosis, incluso se introducen directamente dentro de las células de su hospedero.
Parásitos Toxoplasma gondii en división marcadas con señales brillantes. _Crédito de la imagen: "Toxoplasma gondii", por Ke Hu yJohn M. Murray (CC BY 4.0)_11.

Comprueba tu comprensión

  1. Las mixobacterias son bacterias del suelo que generalmente viven juntas en un grupo cooperativo llamado enjambre. Cuando los recursos escasean, las mixobacterias individuales se combinan para formar un cuerpo fructífero, una estructura multicelular que permite que algunas células maduren y se conviertan en esporas (estructuras especializadas con paredes celulares gruesas que pueden soportar condiciones difíciles). Cuando las condiciones vuelven a ser favorables, estas esporas germinan para formar un nuevo enjambre.
    ¿Cómo puede la formación de un cuerpo fructífero ayudar a la supervivencia de las poblaciones de mixobacterias?
    Elige todas las respuestas adecuadas:

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