Las bacterias son la forma de vida más antigua

Transcripción

1 Las bacterias La forma de vida más antigua Microfotografía electrónica de aumentos de dos estafilococos áureos, bacterias que suelen formar parte de la flora de la mucosa nasal humana, pero que en ciertas circunstancias pueden volverse infecciosas. Las bacterias son la forma de vida más antigua de la Tierra y quizá la más abundante. En tu organismo hay millones de bacterias como flora normal, e incluso hay más bacterias que células. Pueden encontrarse 40 millones de bacterias en un gramo de tierra y un millón en un mililitro de agua dulce. Se calcula que en total hay aproximadamente bacterias en el mundo. Estos microorganismos poblaron la Tierra mucho antes que ningún otro grupo de seres vivos. Se han encontrado restos fósiles de bacterias en rocas de hace 3800 millones de años. Esas primeras bacterias habitaron los océanos primitivos del planeta cuando el ambiente aún era inhóspito: carente de oxígeno para respirar, con temperaturas extremadamente elevadas y altos niveles de radiación ultravioleta procedente del Sol. Las bacterias descendientes de las primigenias se encuentran hoy en todos los ecosistemas del planeta, desempeñando un papel clave en el equilibrio ecológico. La mayoría ha experimentado cambios y hoy sería incapaz de sobrevivir en las duras condiciones que caracterizaban a la Tierra primitiva. Aunque hay otras, llamadas arqueobacterias, que no han cambiado mucho. 8 Microbios pp indd 8 7/22/09 1:37:58 PM

2 Son organismos extraordinarios porque se adaptan a ambientes extremos y hostiles. Habitan en toda la biosfera, especialmente en zonas de la atmósfera carentes de oxígeno. Podemos encontrar bacterias en cualquier lugar de la Tierra: en el agua, en aguas residuales, en el suelo, en el polvo, en muchos alimentos, incluso en los llamados ambientes extremos, como las aguas termales, las aguas saturadas de sales o las profundidades oceánicas. Algunas pueden sobrevivir y prosperar en ambientes más rigurosos, como manantiales calientes, pozas ácidas, desechos radiactivos, las profundidades de la corteza terrestre o en temperaturas de hasta 250 ºC. Algunas bacterias soportan incluso el frío y el vacío extremos del espacio exterior. Las bacterias que viven en las fuentes termales o en las grietas hidrotermales de las profundidades marinas, lo hacen gracias a que su metabolismo depende del azufre. Otras bacterias no pueden estar en contacto con el oxígeno y sólo resisten en un medio anaerobio, es decir, carente de oxígeno, como el intestino o el lodo del fondo de marismas, ciénagas o pantanos. También se han encontrado bacterias resistentes a la radiactividad. Marisma. Terreno pantanoso a orillas de cuerpos de agua. Microfotografía de 400 aumentos de una muestra de cerebro de ratón teñida, infectada por clamidias del género Chlamydophila psittaci. 9 Microbios pp indd 9 7/22/09 1:38:02 PM

3 De acuerdo con su forma de vida, las bacterias se clasifican en saprofitas, simbiontes, comensales, mutualistas y parásitas. Las bacterias se clasifican en saprofitas, simbiontes, comensales, mutualistas y parásitas Simbionte. Organismo asociado con otro u otros, que obtiene beneficio de dicha asociación. Sanguijuelas en el bazar egipcio de Estambul. Las saprofitas son importantes en el aspecto ecológico porque descomponen la materia orgánica en sus elementos esenciales, que son utilizados como alimento por las plantas. Económicamente también tienen importancia porque son responsables de algunas alteraciones y deterioros que sufren los vegetales durante su almacenamiento y transporte, como la podredumbre, algunas manchas y marcas superficiales, el agrietado o el marchitado. Las simbiontes viven asociadas con otro organismo: ambos obtienen algún beneficio. Muchas bacterias son simbiontes en el tracto digestivo del cuerpo humano y otros organismos; son la flora intestinal, que se alimenta de los desechos del huésped, y a cambio lo ayudan a digerir los alimentos. El tracto digestivo de la mayoría de los animales está colonizado por una mezcla compleja de bacterias. Una excepción la constituye la sanguijuela medicinal (Hirudo medicinalis), que se ha usado para tratar la hipertensión, y que sólo presenta un tipo de bacteria, la Aeromonas veronii, que por sí sola causa enfermedades como la gangrena (muerte de un tejido) o la septicemia (presencia de organismos patógenos en la sangre, que conduce a la muerte en muy poco tiempo). Lo interesante de esta asociación radica en que la Aeromonas veronii es patógena para todos los organismos excepto para la sanguijuela, lo que sugiere que 10 Microbios pp indd 10 7/22/09 1:38:07 PM

4 esta relación debe de convenirles a las dos. Los posibles beneficios que se han propuesto son: 1) que la bacteria produce sustancias que digieren la sangre y extraen las proteínas, para que la sanguijuela las pueda absorber; 2) que la bacteria le da a la sanguijuela los nutrientes que la sangre no le proporciona (dada su mala calidad nutritiva), y 3) que debido a la utilidad que la bacteria representa para la sanguijuela, esta última secreta un antibiótico que elimina a las posibles competidoras de su compañera. Esta asociación entre dos especies tan distintas sigue asombrando a los científicos, debido al cuidado con que la naturaleza la ha protegido por tanto tiempo. El abuso de antibióticos puede eliminar a las bacterias comensales Las bacterias comensales viven en su huésped sin obtener beneficio. Pueden crecer en animales, plantas e incluso sobre cualquier superficie. Se pueden encontrar en el intestino y otros tejidos del cuerpo humano; producen vitaminas y sustancias que impiden la proliferación de bacterias patógenas que pudieran invadir el organismo. Debido al abuso y mal uso de los antibióticos, se puede eliminar a las bacterias comensales, lo que permite la proliferación de microorganismos patógenos, o que éstos se vuelvan resistentes. En general, las bacterias comensales pueden considerarse benéficas para el organismo; sin embargo, en determinadas circunstancias causan algunas enfermedades. Por ejemplo, algunas bacterias de la flora normal del tracto respiratorio superior, en condiciones especiales, pueden afectar el corazón, probablemente debido a que intercambian material genético con bacterias patógenas como el Streptococcus pneumoniae y a que se han vuelto resistentes a algunos antibióticos. Colonias de la bacteria Burkholderia pseudomallei en un cultivo de laboratorio. Hongos de la penicilina, el primer antibiótico, aumentados 600 veces. 11 Microbios pp indd 11 7/22/09 1:38:12 PM

5 Una de las diferencias entre las células procariontes y las eucariontes es que las primeras carecen de un núcleo definido por una membrana. Las bacterias mutualistas forman asociaciones con otros organismos sin los cuales no sobrevivirían. Ciertas hormigas mantienen cultivos de hongos para alimentar a toda la colonia. Pero, como cualquier jardinero, tienen que luchar contra los molestos parásitos que invaden sus cultivos. Para eso cuentan con otros organismos que las auxilian: las bacterias, que se alojan en cavidades especializadas de su cuerpo y a las cuales nutren por medio de secreciones glandulares. Cada especie de hormiga mantiene distintos tipos de bacterias. Otro ejemplo de comensalismo lo constituye la relación entre la Pogonophora, un gusano marino que vive a profundidades mayores de 200 metros, en grietas oceánicas hidrotermales de origen volcánico, Célula procarionte Flagelo No presentan membrana nuclear 12 Microbios pp indd 12 7/22/09 1:38:17 PM

6 ricas en compuestos azufrados, y las bacterias que consumen azufre. Como el gusano carece de boca y tubo digestivo, las bacterias le proporcionan la energía que requiere para nutrirse y a cambio reciben un lugar seguro donde vivir: en su interior. Las bacterias parásitas viven a expensas de otro organismo, utilizando sus nutrientes. Son las responsables de un gran número de enfermedades en el ser humano, los animales y las plantas. En nuestra especie causan enfermedades como tétanos, fiebre tifoidea, difteria, sífilis, cólera, intoxicaciones alimentarias, lepra y tuberculosis. Algunas bacterias (Pseudomonas aeruginosa, Mycobacterium avium) son patógenos oportunistas, ya que causan enfermedades en personas cuyas defensas se encuentran bajas. Estos hongos, desarrollados a expensas del tronco, son un ejemplo de parasitismo. Célula eucarionte Centriolos Membrana nuclear 13 Microbios pp indd 13 7/22/09 1:38:23 PM

7 Pero qué son las bacterias? Las bacterias son organismos compuestos de una sola célula; es decir, unicelulares. No son observables a simple vista, ya que su tamaño promedio es de cinco micras (una micra equivale a la milésima parte de un milímetro); esto es, aproximadamente 300 veces más pequeñas que la cabeza de un alfiler. Sólo se pueden observar con la ayuda de un microscopio que aumente por lo menos 500 veces su tamaño aparente. Algunas son tan pequeñas que sólo resultan visibles si se amplían mil veces. Los científicos las han clasificado en el reino lla- Flagelos ADN Componentes estructurales de una bacteria. Ribosomas Pared celular 14 Microbios pp indd 14 7/22/09 1:38:28 PM

8 mado monera, el más primitivo, que agrupa a todos los organismos procariontes (los que carecen de un núcleo verdadero, característica que los diferencia de las células vegetales y animales); junto con las cianobacterias (antes algas verdeazuladas), son las formas más abundantes de este reino. El material genético de las bacterias se encuentra en el citoplasma Las bacterias no tienen membranas que delimiten un núcleo. Por ello, su material genético se encuentra en el citoplasma y se denomina nucleoide. Además, algunas bacterias contienen pequeñas moléculas de ácido desoxirribonucleico (a d n), independientes del cromosoma bacteriano, que guardan información importante, como la que les confiere resistencias a los antibióticos. Su citoplasma, al igual que el de nuestras células, contiene principalmente agua, proteínas y ribosomas (estructura donde se lleva a cabo la producción de proteínas). Algunas producen vacuolas, que sirven para almacenar sustancias de reserva, como azufre. Otras, como las cianobacterias, producen vesículas internas de gas que utilizan para regular su flotabilidad y así alcanzar la profundidad exacta del agua donde la intensidad de la luz y la concentración de nutrientes son óptimos. La envoltura que rodea el citoplasma de las bacterias es la membrana plasmática, que está formada, como la de los seres humanos, por lípidos, sólo que algunos son diferentes a los nuestros. A los lípidos no les gusta el agua, así que nunca se mezclan con ella, lo cual permite que la membrana plasmática separe a las bacterias del medio ambiente y regule el paso de nutrientes, proteínas y demás componentes que necesitan para vivir. Cianobacterias. Microorganismos unicelulares que presentan membranas internas llamadas laminillas fotosintetizadoras (lo que los hace autótrofos). También se les llama algas verdeazuladas. Son las únicas algas procariotas. 15 Microbios pp indd 15 7/22/09 1:38:30 PM

9 Estafilococos Coco Espiroqueta Vibrio Las bacterias presentan formas diferentes de acuerdo con la rigidez de su pared celular. Rodeando la membrana plasmática se localiza la pared celular, que es rígida y resistente. Es distinta a la de las plantas, los hongos y las arqueobacterias, ya que está formada de carbohidratos y proteínas. Generalmente, la rigidez de su pared celular determina su forma, que puede ser como bastón curvo o recto, esférica o en espiral. La pared celular rodea la membrana plasmástica La pared celular las protege de la deshidratación y de los cambios que se producen en el medio que las rodea; además, evita que entre más agua de la necesaria y engorden hasta reventar. En algunos casos, la pared celular también las protege contra el ataque de las células de defensa del organismo que invaden. En algunas bacterias la pared es muy fina, mientras que en otras es muy gruesa. Finalmente, algunas poseen una cápsula que rodea su pared celular, la cual les sirve para protegerse de las células de defensa y para retener agua. El tamaño y la composición de la cápsula son variables, pero en general se parece a una gelatina. Las bacterias que pueden moverse lo hacen por medio de flagelos. Si compraras un globo en el parque, el hilo que lo sujeta sería el flagelo, y el globo su cuerpo. Algunas bacterias poseen un solo flagelo; otras tienen uno en cada extremo; otras más tienen grupos de flagelos, y otras los tienen distribuidos sobre toda su superficie. Los flagelos les permiten moverse hacia delante o cambiar de dirección, haciendo una especie de movimientos de nado sincronizado. De esta manera se pueden acercar a sustancias alimenticias o alejarse en busca de mejores lugares, cuando las condiciones ambientales son adversas. 16 Microbios pp indd 16 7/22/09 1:38:40 PM

10 A pesar de ser menos complejas que otros organismos, como animales, plantas, parásitos y hongos, su éxito evolutivo y amplia distribución se deben en parte a su gran diversidad metabólica; pueden basar su dieta en casi cualquier nutriente, incluyendo compuestos muy simples, por lo que en ellas se pueden encontrar todos los mecanismos posibles de obtención de energía y de carbono. Según la fuente de carbono que utilicen, se dividen en autótrofas y heterótrofas, y según la fuente de energía, en fotótrofas y quimiótrofas. Las fotoautótrofas utilizan la luz como fuente de energía y el CO 2 (dióxido de carbono) como fuente de carbono. Las cianobacterias, que realizan la fotosíntesis y liberan oxígeno a partir de CO 2, pertene- Flagelo. Cada una de las prolongaciones de los seres unicelulares, que usan para desplazarse. Formas de obtención de carbono y energía. Quimioautótrofas Fotoautótrofas células células Fotoheterótrofas Quimioheterótrofas Compuesto orgánico células Compuesto orgánico células 17 Microbios pp indd 17 7/22/09 1:38:56 PM

11 Gracias a las bacterias nitrificadoras, el nitrógeno es aprovechado por las plantas. Después vuelve a incorporarse a la atmósfera con ayuda de las bacterias desnitrificadoras. cen a este grupo. A ellas se debe la transformación de la atmósfera terrestre hostil, que contenía altos niveles de CO 2. Las bacterias quimioautótrofas utilizan compuestos inorgánicos como fuente de energía y el CO 2 como fuente de carbono. Las bacterias del suelo, que juegan un papel muy importante en los ciclos biogeoquímicos, como los del carbono y el nitrógeno, pertenecen a este grupo. Atmósfera Bacterias nitrificadoras Bacterias desnitrificadoras Suelo 18 Microbios pp indd 18 7/22/09 1:39:02 PM

12 Las fotoheterótrofas utilizan la luz como fuente de energía y compuestos orgánicos como fuente de carbono. Finalmente, las quimioheterótrofas utilizan un compuesto químico como fuente de carbono y de energía. La mayoría de las bacterias cultivadas en el laboratorio y también las bacterias patógenas pertenecen a este grupo. Muchas bacterias deben vivir en presencia de oxígeno (aerobias), al igual que el ser humano; otras viven en ausencia de oxígeno (anaerobias) y otras más pueden hacerlo en presencia o ausencia de oxígeno (anaerobias facultativas). Las bacterias que viven en las grietas hidrotermales son anaerobias, así como muchas de las especies que causan intoxicaciones alimentarias. Cultivo de bacterias en una caja de Petri. Muchas bacterias deben vivir en presencia de oxígeno (aerobias) La mayoría subsiste a temperaturas de entre 10 y 45 C (mesófilas). Sin embargo, algunas pueden crecer a temperaturas mayores (termófilas), como las que se encuentran en las fuentes termales, o a temperaturas menores (psicrófilas), como las que se encuentran en el hielo de Siberia, Canadá o la Antártida. Las bacterias juegan un papel fundamental en la naturaleza, en la industria y en el ser humano. En la naturaleza son parte importante de los ciclos biogeoquímicos. Por ejemplo, algunas fijan el nitrógeno de la atmósfera y lo transforman en compuestos que las plantas pueden absorber a través de sus raíces. Sin ellas, el ciclo del nitrógeno no podría existir. En la industria también juegan un papel importante, ya que se emplean para producir queso (son Las bacterias también tienen importancia en nuestra vida porque se utilizan para la elaboración de quesos, en la fabricación de antibióticos y en laboratorios de investigación. 19 Microbios pp indd 19 7/22/09 1:39:16 PM

13 responsables, por ejemplo, de los hoyos del queso gruyer) y yogur, así como en la fabricación de antibióticos y otros productos químicos. En el tratamiento de aguas residuales, eliminan la materia orgánica. También se utilizan en laboratorios de investigación para estudiar algunas funciones celulares y genéticas, debido a que no son tan complejas como las células eucariontes. Las bacterias se utilizan para estudiar algunas funciones celulares Microfotografía electrónica con colores realzados que muestra a la especie Salmonella typhimurium (células rojas), que causa la salmonelosis, invadiendo células humanas en cultivo. En el ser humano, su presencia como flora bacteriana normal en diferentes partes del cuerpo (boca, intestino, vías respiratorias o vagina, entre otras) es indispensable. En el intestino ayudan a digerir los alimentos y algunas producen sustancias, como vitaminas, que el organismo absorbe de ellas porque no las puede producir. Finalmente, en cualquier parte del cuerpo donde se encuentren impiden la prolife- 20 Microbios pp indd 20 7/22/09 1:39:21 PM

14 ración de organismos patógenos. Por ello, no se debe abusar de los antibióticos, ya que eso las mata y permite el desarrollo de aquellas bacterias que sí pueden causar daño. Si una persona enferma y el médico le receta algún antibiótico, debe terminar el tratamiento y no exceder el tiempo. Muchas personas, cuando ya se sienten bien, dejan de tomar el antibiótico, lo que provoca que las bacterias de la flora normal y de la patógena se vuelvan resistentes a los antibióticos. Esto ha causado que enfermedades como la tuberculosis, que antes se curaban con tratamiento, ahora sean nuevamente una amenaza mortal. Una de las tareas de las bacterias es impedir la proliferación de organismos patógenos La mayoría de las bacterias son útiles para la vida. Sin embargo, algunas son patógenas, ya que causan enfermedades como el cólera, la sífilis, el ántrax, la lepra o la peste bubónica. Las enfermedades bacterianas mortales más comunes son las de las vías respiratorias. Cerca de dos millones de personas mueren cada año en el mundo a causa de la tuberculosis, sobre todo en África. No terminar un tratamiento con antibióticos puede provocar que la bacteria se vuelva resistente a éstos. 21 Microbios pp indd 21 7/22/09 1:39:28 PM

15 La génesis de las bacterias Fue Charles Darwin quien tuvo la idea de que el origen de los seres vivos podía representarse con la forma de un árbol. Posteriormente, se sugirió que un pariente lejano y antiguo de las bacterias pudo haber sido el ancestro común a partir del cual surgieron las bacterias, las arqueas y los eucariontes. Esta célula debió de haber compartido características combinadas con los otros tres, como la replicación del a d n, la producción (síntesis) de proteínas, el tipo de metabolismo, la división celular, los mecanismos para reparar el a d n y la respuesta al medio ambiente. Primer borrador del árbol evolutivo de Charles Darwin, donde describe las relaciones entre organismos. Este árbol sugiere un ancestro común que dio origen a las bacterias, las arqueas y los eucariontes. Darwin pensó que el origen de los seres vivos podía representarse con la forma de un árbol Los eucariontes aparecieron hace aproximadamente dos mil millones de años y se caracterizan por la presencia de un núcleo y microtúbulos. Las células eucariontes contienen mucho más a d n (unas Primer borrador del árbol 720 veces más nucleótidos) que las bacterias y éste se evolutivo de Chales Darwin donde describe las relaciones encuentra organizado en cromosomas, los cuales se entre organismos. Este árbol sugiere que existe un ancestro resguardan dentro del núcleo. Su citoesqueleto (similar a un esqueleto, pero microscópico) está cons- común que dio origen a las bacterias, las arqueas y los eucariontes tituido por diferentes estructuras tubulares que se distribuyen en la célula. Estos tubos o filamentos están compuestos por una proteína llamada actina y sirven principalmente para darle forma a la célula, mientras que los microtúbulos participan en el transporte de los organelos a diferentes regiones de la célula y dirigen a los cromosomas durante la división celular hacia extremos opuestos, repartiéndolos por partes iguales dentro de las células hijas. 22 Microbios pp indd 22 7/22/09 1:39:40 PM

16 Las arqueas son un grupo de organismos que habitan en lugares poco usuales y en condiciones extremas. Frecuentemente se encuentran en ambientes caracterizados por la abundancia de compuestos ricos en energía generada por geoquímica, los cuales pudieron haber estado presentes desde hace millones de años. Las arqueas no tienen un núcleo como los eucariontes, pero sí cuentan con una pared celular (como algunos eucariontes), la cual no está compuesta del mismo material (peptidoglicanos) que la pared celular de las bacterias. Por último, las bacterias con un linaje muy antiguo, de más de millones de años, tienen una amplia diversidad y un gran poder evolutivo. Una característica importante, aunque no exclusiva de ellas, es el desarrollo de una pared celular o segunda membrana, la cual les confiere rigidez y les da la Reinos Microtúbulos. Estructuras tubulares que flotan en el citoplasma. Forman una especie de rieles que transportan sustancias y organelos dentro de la célula. Organelos. Estructuras limitadas por una membrana, presentes en el citoplasma de los eucariontes; cada una tiene una función específica. Árbol filogenético que sugiere el origen de las bacterias y el resto de los organismos a partir de un ancestro común. 23 Microbios pp indd 23 7/22/09 1:39:45 PM