El concepto de microorganismo no hace referencia a
un grupo taxonómico concreto, sino al conjunto de organismos de pequeño tamaño
que pertenecen a los reinos Mónera, Hongos y Protistas. Es evidente, por tanto,
que la característica fundamental de los microorganismos es precisamente su
diversidad.
En muchos casos, además, los microorganismos han
evolucionado durante mucho tiempo (algunos son organismos extraordinariamente
antiguos), ocupando ambientes marginales, en los que se dan características
poco adecuadas para la vida, de modo que se han visto obligados a desarrollar
rutas metabólicas especiales, que les permitan aprovechar recursos extraños o
adecuarse a condiciones excepcionales. La diversidad metabólica de los
microorganismos hacen de ellos un grupo clave desde el punto de vista
ecológico: juegan un papel fundamental en el cierre de los ciclos de materia,
pueden actuar como simbiontes o patógenos de otros organismos y colonizan
entornos extremos.
La Tierra como planeta es un sistema cerrado. Esto
significa que intercambia energía con su entorno, pero no materia. La
consecuencia de este hecho es que la materia de nuestro planeta debe ser
utilizada una y otra vez, reciclándose continuamente. En particular, los seres
vivos modificamos la materia de un modo muy significativo al transformar la
materia inorgánica en materia orgánica, con unas características químicas muy
especiales. Para que los organismos puedan volver a utilizar la materia que
necesitan la materia orgánica debe volver a ser transformada en inorgánica.
Estos procesos definen los tres grandes papeles ecológicos que desempeñan los
seres vivos en relación con las transformaciones de la materia:
§ Los productores son
organismos que utilizan materia inorgánica y, aprovechando energía captada de
algunos procesos no biológicos, la transforman en la materia orgánica que
necesitan para elaborar sus propios componentes.
§ Los consumidores aprovechan
la materia orgánica tanto para elaborar sus propios componentes como para
obtener energía mediante reacciones de degradación de estos compuestos.
§ Los descomponedores,
además de utilizar para sus componentes la materia orgánica, la transforman en
materia inorgánica para obtener energía.
En los ecosistemas es posible encontrar
microorganismos que realizan las tres funciones. Sin embargo, los
descomponedores son exclusivamente microorganismos, lo que da una primera idea
de su importancia ecológica. Pero, además de su interés cualitativo, los
microorganismos juegan un papel extraordinariamente activo en el funcionamiento
de los ciclos de materia, debido a:
§ Su amplia distribución ecológica:
existe una gran variedad de microorganismos en todos los ecosistemas, por
excepcionales que sean las condiciones ambientales de los mismos.
§ Su facilidad de dispersión,
facilitada por su pequeño tamaño, lo que facilita que aparezcan en cualquier
entorno y contribuyan a su colonización antes de que lleguen hasta él otros
organismos.
§ Su diversidad metabólica, que les
permite aprovechar prácticamente cualquier tipo de compuesto presente en el
entorno.
§ Su pequeño tamaño y rápido
crecimiento, que favorece un rápido intercambio de sustancias entre los
organismos y el entorno, facilitando la dinámica del ecosistema.
Ciclos
biogeoquímicos de materia
La materia se encuentra en diferentes “depósitos”
(geológico, hidrológico, atmosférico o biológico), pudiendo aparecer en cada
uno de ellos en diferentes “formas” o sustancias químicas, que pueden
transformarse unas en otras mediante reacciones químicas. Para analizar el
comportamiento de la materia en el seno de un ecosistema se utiliza,
normalmente, un enfoque de dinámica de sistemas,
que centra su atención tanto en los depósitos de
materia (formas de materia que contienen, cantidades) como en los flujos que se establecen entre ellos
(caracterizados por una velocidad, que marca
el ritmo con el que la materia pasa de un depósito a otro). Como las
transformaciones suponen modificaciones químicas, es decir, transformaciones de
una sustancia en otras, se suele tomar como unidad de estudio cada elemento
químico. Los ciclos biogeoquímicos que más importancia tienen para los seres
vivos son los del Carbono, el Nitrógeno, el Fósforo y el Azufre.
Ciclo del Carbono
El del carbono es un ciclo biogeoquímico
“completo”, en el sentido de que este elemento aparece en depósitos ubicados en
todos los subsistemas terrestres. También es el ciclo en el que mayor
importancia tienen los organismos vivos, como cabe esperar al tratarse del
elemento químico fundamental en su composición.
Los
seres vivos participan en prácticamente todos los procesos del ciclo del
carbono, en especial en aquellos que tienen que ver con su incorporación a la
materia orgánica, que es llevada a cabo por los productores mediante la
fotosíntesis y, en menor medida, la quimiosíntesis, o su retorno a los
depósitos no orgánicos: la respiración devuelve el carbono orgánico a la
atmósfera, la muerte de los organismos lo deposita en el suelo, la deposición
de los caparazones calcáreos da lugar a importantes formaciones sedimentarias
de caliza y la descomposición anaerobia de los restos orgánicos forma los
depósitos de hidrocarburos.
Los
microorganismos, en particular, juegan importantes papeles en el desarrollo del
ciclo del carbono:
§ Incorporación del carbono a la
materia orgánica:
§ Fotosíntesis:
§ Oxigénica: los protistas verdes y las
cianobacterias son, junto a las plantas verdes, los principales productores de
los ecosistemas.
§ Anoxigénica: se debe a la actividad
de bacterias fotosintéticas rojas y verdes.
§ Quimiosíntesis: es desarrollada por
bacterias de diferentes tipos
§ Uso del carbono orgánico: todos los
microorganismos utilizan el carbono orgánico como elemento básico de su
metabolismo.
§ Descomposición: bacterias y hongos
son los responsables de la mineralización de los compuestos orgánicos de
carbono
§ Las arqueobacterias metanogénicas, un
grupo de organismos filogenéticamente muy primitivos, utilizan el CO2 para producir metano que es emitido a la
atmósfera. A su vez, este metano puede ser utilizado por las bacterias
metanotrofas para producir energía.
Ciclo del Nitrógeno
En
comparación con el ciclo del carbono, en el ciclo del nitrógeno los organismos
tienen una importancia relativa mucho mayor, ya que son los principales
responsables de los cambios en el estado de oxidación de este elemento. Esto
tiene una importancia considerable, ya que el estado de oxidación es el factor
que determina la posibilidad de que los organismos puedan utilizar o no los
compuestos nitrogenados.
En cuanto al desarrollo del ciclo en sí, apenas hay
nitrógeno en la geósfera; los depósitos fundamentales de este elemento son la
atmósfera (donde se encuentra como N2, en estado de oxidación cero) y los seres vivos.
Una
característica peculiar del ciclo de este elemento es la gran diversidad de
estados de oxidación en que se encuentra en la naturaleza, aunque solo algunos
de ellos pueden ser asimilados por los seres vivos. Otra circunstancia que
explica también la complejidad de la participación de los organismos en el
ciclo del nitrógeno es que los seres vivos utilizan este elemento con dos
propósitos diferentes: para incorporarlo a sus constituyentes esenciales
(ácidos nucleicos, proteínas…), función imprescindible en todos los seres
vivos, y para utilizarlo en ciertas reacciones químicas que proporcionan
energía a algunos organismos (bacterias quimioautótrofas).
La incorporación de nitrógeno a la materia orgánica
solo es posible cuando el nitrógeno se encuentra en ciertos estados de
oxidación. Los organismos heterótrofos se caracterizan porque solo pueden
utilizar el nitrógeno reducido, mientras que la mayoría de las plantas pueden
usar también formas oxidadas como nitritos o nitratos, lo que explica el uso de
estos compuestos como fertilizantes en los suelos. Por último, un reducido
grupo de microorganismos son capaces de transformar nitrógeno molecular (N2) en nitrógeno reducido (-NH2), lo que les permite incorporarlo directamente en
sus componentes. Este proceso, la fijación de nitrógeno,
tiene una importancia ecológica enorme: el nitrógeno molecular es la forma
química más estable de este elemento, y de no ser por los procesos que lo
rompen (fijación biológica y, en mucha menor medida, fijación inorgánica debida
a descargas eléctricas en la atmósfera), todo el nitrógeno tendería a
acumularse en esta forma en la atmósfera, con lo que quedaría fuera del alcance
de los seres vivos. La fijación de nitrógeno, por tanto, supone prácticamente
el único mecanismo posible para incorporar a los organismos uno de los
bioelementos primarios.
La fijación biológica del nitrógeno es un proceso
complejo, que requiere un considerable aporte de energía y, sobre todo,
condiciones de anaerobiosis estricta, porque el oxígeno envenena la enzima responsable del proceso, la
nitrogenasa. En estas condiciones, la fijación de nitrógeno se limita a unos
cuantos tipos de organismos que habitan en ambientes muy marginales o que son
capaces de generar su propio ambiente anaerobio. Entre estos últimos, algunos
grupos son de vida libre, es decir son capaces de desarrollar el proceso de
modo totalmente independiente (como ciertas cianobacterias), mientras que otros
establecen simbiosis con algunos tipos de plantas (en particular las
leguminosas) que les proporcionan un ambiente adecuado para poder fijar el
nitrógeno.
Uno de los casos más importantes de simbiosis entre
organismos fijadores de nitrógeno y plantas es la que se establece entre las
bacterias del género Rhizobium y
las plantas de la familia de las leguminosas, que explica la costumbre
tradicional de sembrar legumbres para enriquecer el suelo en compuestos
nitrogenados. En esta asociación, las bacterias invaden las raíces de las
leguminosas, y éstas responden creando a su alrededor una estructura llamada
nódulo, en el que cada bacteria está rodeada de un material impermeable, que
impide la llegada del oxígeno. Pero, además de la adaptación morfológica, las
leguminosas expresan en sus raíces una proteína llamada leg-hemoglobina que se
une al oxígeno, retirándolo de la zona donde se encuentran las Rhizobium. Lo peculiar del caso es que el nombre de
leg-hemoglobina no es casualidad: la proteína de las leguminosas posee una
estructura extraordinariamente parecida a la hemoglobina de vertebrados:
incluye un anillo tetrapirrólico con un átomo de hierro en su centro, que es
donde se fija el oxígeno, y la estructura terciaria de ambas proteínas es
claramente similar.
Más
aún, la estructura del gen de la leg-hemoglogina (su secuencia de intrones y
exones y la frecuencia de aminoácidos utilizados) es bastante más parecida a
las características de las proteínas animales que a otras proteínas de la
planta, lo que lleva a pensar que probablemente la leg-hemoglobina es el
resultado de una transferencia horizontal de genes entre animales y plantas,
como resultado de una infección cruzada.
El
resto de las transformaciones químicas del nitrógeno guardan también relación
con la ecología de los microorganismos:
§ El nitrógeno excretado por los seres
vivos se encuentra en forma de amonio (NH4+). Varios géneros de bacterias utilizan este
tipo de compuestos para obtener energía oxidándolos hasta la forma de nitritos
(NO3–) o de nitratos (NO2–). Esta transformación mantiene aún el nitrógeno a
disposición de los organismos, porque las plantas son, en general, capaces de
absorber dichas formas químicas. Entre las bacterias que participan en estos
procesos se encuentran las de los géneros Nitrosomonas, Nitrococcus o Nitrobacter.
§ Algunas bacterias del género Pseudomonas llevan más allá este proceso,
transformando los nitratos en nitrógeno molecular, con lo que lo dejan fuera
del alcance de la mayor parte de los organismos.
Ciclo
del azufre
El
ciclo del azufre tiene lugar, fundamentalmente, en la geósfera; los depósitos
atmosférico e hidrosférico de azufre son poco importantes, hasta el punto de
que la concentración de azufre en el agua es uno de los factores limitantes
para el desarrollo de los organismos en el medio acuático (junto con el
nitrógeno y el fósforo).
Al igual que lo que ocurre con el nitrógeno, los
organismos utilizan el azufre tanto para incorporarlo a sus moléculas
(proteínas) como para obtener energía de sus reacciones de oxidación-reducción.
La forma química del azufre utilizada por los seres vivos es el ión HS–. Cuando el organismo muere, el azufre es
depositado en el medio, donde es aprovechado por los organismos responsables de
los procesos de putrefacción, que lo transforman en ácido sulfhídrico (H2S), uno de los responsables del olor de los
cadáveres. Este compuesto, a su vez, puede ser utilizado por bacterias
quimiolitotrofas y fotótrofas, que lo oxidan hasta azufre molecular o hasta
sulfato (SO4=). Por último, los sulfatos pueden ser reducidos de
nuevo a ácido sulfhídrico (reducción desasimiladora) o a ión sulfhidrilo
(reducción asimiladora, que permite la reutilización del azufre por parte de
los seres vivos, y que es realizada por plantas y varios tipos de
microorganismos).
Otros ciclos biogeoquímicos
Los
microorganismos intervienen también en el funcionamiento de los ciclos
biogeoquímicos de otros elementos:
§ En el ciclo del fósforo, el
fitoplancton y los vegetales acuáticos incorporan los fosfatos a la cadena
trófica. También son capaces de solubilizar los fosfatos inorgánicos.
§ La participación de los
microorganismos en el ciclo del hierro es también fundamental, porque son los
responsables de los cambios en su estado de oxidación que, en el caso de este
metal, suponen que pase a ser soluble o insoluble.
§ Algunas bacterias son capaces de
reducir el hierro III a hierro II, lo que permite su solubilización. Estos
microorganismos requieren, para llevar a cabo este proceso, de ambientes
anóxicos.
§ Algunas bacterias quimiolitotrofas
presentes en ambientes oxigenados realizan el proceso opuesto, oxidando el
hierro II a hierro III, con lo que lo hacen insoluble.
Relación de los microorganismos con el hombre
Nuestro
propio organismo ofrece un entorno adecuado para la proliferación de
microorganismos, los cuales establecen con nosotros todo tipo de relaciones
tróficas. Así, viviendo sobre nuestro cuerpo o en su interior podemos
encontrarnos microorganismos simbiontes o comensales, que constituyen la biota
bacteriana normal, o bien microorganismos parásitos. En particular, si los
parásitos producen daños que dan lugar a enfermedades suelen denominarse
patógenos.
En
realidad, las relaciones que se establecen entre dos organismos son dinámicas,
y pueden cambiar de características con el paso del tiempo. En el caso del
hombre y los microorganismos es relativamente frecuente que algunos que forman
parte de la biota normal se aprovechen de estados de debilidad del individuo en
el que se encuentran y se transformen en patógenos oportunistas.
La
biota normal del organismo se encuentra preferentemente en las superficies del
cuerpo que se encuentran expuestas al contacto con el exterior del organismo,
lo que incluye tanto la piel como las cavidades y órganos que tienen salida al exterior.
En condiciones normales estos microorganismos no tienen efectos perjudiciales
para el organismo. Más bien todo lo contrario: como mínimo, compiten por ocupar
ese nicho con otros organismos potencialmente patógenos, dificultando o incluso
impidiendo su proliferación, por lo que en cierto sentido nos protegen de
infecciones.
En la piel y la cavidad bucal se encuentran
fundamentalmente bacterias gram positivas, levaduras y estafilococos que, en
ciertas ocasiones, pueden contribuir al desarrollo de ciertas enfermedades como
la caries o el acné (Propionibacterium acnes).
En el tracto intestinal, por su parte, suelen
encontrarse bacterias anaerobias como Escherichia coli,
que contribuyen a la digestión y aportan vitaminas a la dieta. Los cambios en
la composición de la biota intestinal normal suelen traducirse en episodios de
colitis, no tanto porque actúen atacando la mucosa intestinal como porque unas
bacterias desencadenan “guerras químicas” contra otra, perjudicando al mismo
tiempo al organismo donde se encuentran.
En
la mucosa del aparato genital, por último, se encuentran bacterias y hongos
como Candida albicans. Estos organismos pueden desencadenar infecciones
vaginales como consecuencia de cambios en el valor del pH del medio.
Nuestra
biota microbiana normal incluye tanto una gran cantidad como una gran variedad
de organismos. En cuanto a cantidad, frente a los diez mil millones de células
que pueden constituir un organismo medio, el número de microorganismos que
habitan en él puede ser un orden de magnitud mayor, es decir, unos cien mil
millones de células.
En cuanto a la diversidad de la biota, solo en la
piel podemos encontrar unas 120 especies de bacterias diferentes, mientras que
en la boca puede llegar a haber entre 300 y 500 especies distintas. La mayor
diversidad, en todo caso, se encuentra en el intestino, donde puede llegar a
haber entre 5000 y 35000 especies distintas. Frente a esos datos, el número de
especies potencialmente patógenas para el hombre está en torno a las 100,
aunque ese número es poco indicativo de la importancia de la presencia de estos
organismos. Podemos hacernos una idea más representativa si consideramos
la prevalencia de estos organismos, es decir, la
frecuencia con la que se encuentran en el ser humano, tanto produciendo
enfermedades como sin llegar a provocarlas. Así, se estima que una de cada tres
personas están “infectadas” por Mycobacterium tuberculosis (aunque
esto no quiere decir que todos ellos tengan la tuberculosis), mientras que una
de cada dos personas están infectadas por Helycobacter pylori,
y otros tantos por Staphylococcus aureus.
https://flalda.wordpress.com/2010/05/16/microbiologia-y-biotecnologia-el-papel-ecologico-de-los-microorganismos/
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