ECOLOGÍAREINO MONERA LA CLASIFICACIÓN DE LOS REINOS Por muchos años, después de que se consolidara el Sistema Natural establecido por Linneo, sólo se aceptó la existencia de dos reinos, el de los animales y el de las plantas. Pero con el desarrollo del microscopio se descubrió una enorme cantidad de microorganismos cuya clasificación se hacía cada vez más necesaria. El evolucionista alemán Ernst Haeckel propuso, a finales del siglo XIX, la construcción de un tercer reino constituido por microorganismos, el de los Protistas. Haeckel reconoció que algunos de estos microorganismos carecían de núcleo celular y los denominó Monera. Posteriormente, en 1956, el botánico estadounidense Herbert Copeland propuso la creación de un reino para Monera que eran, naturalmente, las bacterias. Los hongos fueron los últimos organismos que merecieron la creación de un reino, al que se llamó Fungi. En 1959 el ecólogo estadounidense Robert Whittaker, propuso una clasificación general de los seres vivos en cinco reinos: Monera, Protista, Fungi, Plantae y Animalia. Para realizarla, tomó como base el tipo de organización celular (procariota o eucariota), el número de células que compone al organismo (uni o pluricelular) y la forma de nutrición (autótrofo, heterótrofo por absorción, heterótrofo por ingestión). En 1978, Whittaker y Lynn Margulis propusieron modificar esta clasificación, conservando el número de reinos pero incluyendo dentro del antiguo grupo Protistas a las algas. Este nuevo reino fue denominado Protoctista; sin embargo, gran parte de la literatura científica siguió utilizando la denominación Protista. La nueva clasificación en cinco reinos incluye a Monera (bacterias), Protoctista o Protista (algas, protozoos, mohos del limo y otros organismos acuáticos y parásitos menos conocidos), Fungi (líquenes y hongos), Animalia (vertebrados e invertebrados) y Plantae (musgos, helechos, coníferas y plantas con flor). Hasta 1977, el reino se consideraba la categoría sistemática más inclusiva, es decir, más abarcativa. Sin embargo, los avances en Biología Molecular brindaron datos con los cuales el microbiólogo estadounidense Carl Woese construyó un árbol filogenético único en el cual se diferencian tres linajes evolutivos principales. Woese propuso una nueva categoría, el dominio, que abarca a cada uno de estos linajes. Los tres dominios se denominan Bacteria, Archaea y Eukarya. Sólo uno de estos linajes, Eukarya, es eucarionte y contiene a todos los organismos con células con núcleo: protistas, hongos, plantas y animales. 1 Bacterias y Arqueas, a pesar de ser organismos procariontes, se clasifican en dominios separados porque sus integrantes presentan características estructurales, bioquímicas y fisiológicas diferentes. Nótese que este sistema de tres dominios deja obsoleto al reino Monera, debido a que tendría miembros en dos dominios diferentes. De hecho muchos microbiólogos ahora dividen cada uno de los dominios procarióticos en múltiples reinos, basados en información molecular. A pesar de ello se requiere mucha más investigación antes de que podamos llegar a un consenso sobre cómo se relacionan los tres dominios y cuántos reinos debe incluir cada uno. Monera Dominio Bacteria Dominio Archaea Dominio Eukarya Ancestro universal Visión actual de la diversidad biológica CÉLULA PROCARIOTA Y EUCARIOTA Existe un principio universalmente aceptado que se conoce como la teoría celular y es uno de los fundamentos de la biología moderna. Esta teoría, afirma entre otras cosas, que todos los organismos vivos están compuestos por una o más células. La unidad básica estructural y funcional de todo organismo es uno de los dos tipos de células: procariontes (procariota) o eucariontes (eucariota). Todas las células tienen varias características básicas en común: todas están rodeadas por una membrana, denominada membrana plasmática; dentro de la membrana hay una sustancia semilíquida, el 2 Plantae Animalia Fungi Protista A continuación analizaremos la diversidad de seres vivos considerando la propuesta de clasificación de Woese, sin olvidar que existen otras hipótesis alternativas y, a su vez, aún aquellas que en la actualidad reúnen mayor consenso pueden cambiar rápidamente. citosol, en la cual se encuentran los orgánulos; todas las células contienen cromosomas, (formados principalmente por DNA); y todas las células tienen ribosomas, diminutos orgánulos que fabrican proteínas de acuerdo con las instrucciones de los cromosomas. La principal diferencia entre las células procariontes y eucariontes es que los cromosomas de una célula eucarionte se localizan dentro de un orgánulo delimitado por una membrana que se denomina núcleo. La palabra procarionte deriva del griego pro, que significa "antes", y karyon, que significa "núcleo, centro", en referencia al núcleo. En una célula procarionte, el DNA está concentrado en una región denominada nucleoide, pero ninguna membrana separa esta región del resto de la célula. Por el contrario, la célula eucarionte (del griego eu, verdadero, y karyon) tiene un núcleo verdadero, limitado por una envoltura nuclear membranosa. La región que se encuentra entre el núcleo y la membrana plasmática se denomina citoplasma, un término que se utiliza también para definir el interior de una célula procarionte. Dentro del citoplasma de una célula eucarionte, suspendidos en el citosol, hay una variedad de orgánulos delimitados por membranas, de forma y función especializada. Éstos están ausentes en las células procariontes, en las que además, su citoplasma no está dividido en compartimientos por membranas, excepto en las cianobacterias que contienen un extenso sistema de membranas donde se hallan los pigmentos fotosintéticos. El citoplasma de los procariotas carece de citoesqueleto y sus células son más pequeñas que las eucariotas. Mientras que las células procariotas miden entre 0,2 y 30 µm (micrones) 1, las eucariotas miden entre 10 y 100 µm. Bacteria y Archaea: Los Procariontes Los procariontes, denominados corrientemente bacterias (del griego baktêrion, “pequeño palo”) son seres vivos de organización muy simple consisten en una sola célula de tipo procariota, aunque existen algunas especies que se agrupan de forma transitoria o permanente para formar colonias (por ejemplo: la cianobacteria filamentosa Anabaena); no solo son los organismos más antiguos (los registros fósiles muestran que se hallan presentes desde hace unos 3800 millones de años), sino también los más abundantes, en el agua y en el suelo se cuentan millones por gramo, por ejemplo, un gramo de suelo fértil puede contener 2500 millones de individuos. El éxito de los procariontes se debe a su gran diversidad metabólica y a su alto ritmo de crecimiento y división celular; una población de Escherichia coli puede duplicarse en 20 minutos si se coloca en un medio con condiciones óptimas. En un ambiente desfavorable, algunas bacterias pueden formar estructuras de resistencia que les permiten sobrevivir durante largos períodos sin nutrimento y soportar temperaturas extremas. Pueden permanecer latentes y viables durante años hasta que las condiciones se tornen nuevamente favorables; entonces, vuelven a activarse. LA DIVERSIDAD DE LOS PROCARIONTES : A. El dominio Bacteria (Eubacterias o bacterias verdaderas) Este dominio está dividido en 12 grandes linajes. Los más antiguos incluyen organismos hipertermófilos (que pueden vivir a altas temperaturas) y anaerobios; los más modernos están integrados por: 1 Micrómetro o micrón (µm)= a la milésima parte de un milímetro o a la millonésima parte de un metro. 3 Bacterias grampositivas, como por ejemplo: Streptomyces, que se utiliza para producir el antibiótico estreptomicina; Clostridium botulinum, que causa el botulismo, etc. Cianobacterias: son los únicos procariotas que realizan fotosíntesis para producir oxígeno en forma similar a las plantas. Proteobacterias: son bacterias gramnegativas como ejemplos podemos citar: Rhizobium, que son fijadoras de nitrógeno; Nitrosomonas, que intervienen en el reciclado del nitrógeno en el suelo; Escherichia coli, presente en el intestino de los mamíferos; Helicobacter pylori, que produce úlceras gástricas. B. El dominio Archaea (Arqueobacterias) Se conocen dos grandes grupos: Crenarqueota, formado principalmente por hipertermófilos, y Euriarqueota, formado por bacterias productoras de metano (metanogénicas) y por bacterias que pueden vivir en concentraciones salinas altas (halófilas). Se ha propuesto un tercer grupo, Korarqueota, pero sus integrantes nunca se han cultivado; por lo tanto, este grupo está en discusión. HÁBITAT DE LOS PROCARIONTES Las formas aerobias y anaerobias de Bacteria han colonizado una inmensa diversidad de hábitats: aguas dulces y salobres, zonas calientes y frías, terrenos fangosos, fisuras de rocas y sedimentos marinos. Muchas de ellas conviven con otros organismos en el tubo digestivo de insectos, moluscos o mamíferos, en la cavidad oral, las vías urogenitales y respiratorias de mamíferos o en la sangre de vertebrados. También persisten por tiempos prolongados asociadas con raíces y tallos de plantas, con hongos (líquenes) y protozoos. Los procariontes del dominio Bacteria también se encuentran como contaminantes en alimentos como leche, carne, huevos, mariscos refrigerados y alimentos crudos, entre muchos otros. Por su parte, las Archaea tienen adaptaciones que les permiten habitar ambientes con condiciones extremas. Pueden tolerar temperaturas superiores a 100 °C o inferiores a O °C, concentraciones salinas muy superiores a las del agua del mar y pH extremos. Se pueden aislar Archaea de aguas surgentes cálidas sulfurosas submarinas, de aguas que rodean zonas de actividad volcánica (hipertermófilos), de lagos salados como el Mar Muerto (halobacterias) y también de aguas muy frías (psicrófilos). No obstante, viven también en ambientes moderados. Las arqueobacterias se llaman así porque muchos de los medios habitados actualmente por ellas se semejan a los que predominaron en la tierra hace millones de años. Esto no debe confundirnos porque los organismos de ambos dominios están altamente adaptados a su entorno actual. Ninguno es más primitivo ni más evolucionado: todas las formas presentes de vida son organismos modernos. Características de Bacteria y Archaea Tamaño celular La célula procarionte en promedio mide de 1 a 30 µm y su volumen es menor de un micrómetro cúbico. Debido a su pequeño tamaño, puede funcionar con una organización muy simple. La alta relación superficie-volumen favorece un intercambio fluido de nutrientes y productos de excreción entre el 4 citoplasma y el medio que rodea a la célula, a través de la membrana. Ello le permite un desarrollo adecuado de sus funciones aun en ausencia de organelas específicas. Forma y disposición celular El método más antiguo para identificar a los microorganismos es por su apariencia. Las bacterias exhiben una considerable diversidad de formas celulares, entre las que se pueden mencionar cocos (pequeñas esferas); coco bacilos (ovoides) como Haemophilus influenzae que produce meningitis en los niños y enfermedades pulmonares en los adultos; bacilos (cilindros rectos) como Escherichia o Pseudomonas; espirilos: células helicoidales como Spirillum minor, agente causal de la fiebre producida por la mordedura de rata; espiroquetas, que se diferencian de los espirilos en que son muy largas y delgadas; vibriones, (bastones curvos con forma de coma) como Vibrio cholerae, agente causal del cólera. Algunos organismos, como por ejemplo los del género Micoplasma (parásitos de las mucosas que producen enfermedades respiratorias a las personas y a algunos animales domésticos) pueden cambiar de forma pues carecen de pared celular. Las formas más frecuentes de Archaea son los bacilos, que pueden ser rectos, curvos, helicoidales o con bifurcaciones, y los cocos que pueden ser esferas irregulares o regulares. Otra característica es la disposición que adoptan las células; esto se halla en relación con los patrones de crecimiento de cada especie. Los cocos, por ejemplo, después de dividirse, pueden quedar dispuestos de a pares (“diplococos”), en racimos (“estafilococos”) o pueden formar cadenas (“estreptococos”). Veamos algunos ejemplos: Staphylococcus aureus, por ejemplo, es un patógeno común en el ser humano que se localiza principalmente en las mucosas y la piel; puede originar abscesos y forúnculos en la misma. Neisseria gonorrhoeae, bacteria que produce la gonorrea, se dispone de a pares. Streptococcus pneumoniae, causa la neumonía. Los bacilos habitualmente se separan luego de la división celular. Cuando no es así, como se dividen por el plano transversal, quedan unidos por los extremos formando filamentos, adoptan así el aspecto de moho, y el prefijo mico –del griego myco (hongo)- forma parte del nombre genérico. Este es el caso de Mycobacterium tuberculosis, el bacilo causante de la tuberculosis. Algunas especies de cianobacterias forman colonias filamentosas. 5 Los bacilos de Clostridium botulinum, causantes del botulismo, secretan una toxina mortal. Las formas abultadas que se observan en la figura son estructuras de resistencia que le permiten sobrevivir en condiciones adversas. También tienen forma de bacilos las bacterias que causan difteria (Corynebacterium diphtheriae) y tuberculosis (Mycobacterium tuberculosis), así como la familiar E. coli que produce diarreas. Las células que se muestran aquí tienen forma de cocos. Entre las bacterias con forma de cocos se encuentra Streptococcus pneumoniae, uno de los agentes causantes de la neumonía bacteriana; Streptococcus lactis, que se usa en la producción comercial de queso, y Nitrosococcus, bacteria del suelo que oxida el amoníaco a nitrato. Las espiroquetas infectan muchos animales salvajes y pueden transmitirse al hombre a través de las ratas causando leptospirosis. La espiroqueta de la figura mide 500 micrómetros de largo, que es un tamaño enorme para un procariota. El Treponema pallidum, otra espiroqueta, es el agente causante de la sífilis. Organización celular En la célula procarionte se pueden diferenciar: el medio interno o citoplasma, una solución acuosa que contiene, entre otros componentes, el material genético (ADN), ribosomas e inclusiones. Una envoltura, formada por la membrana plasmática, la pared celular y la cápsula. Apéndices externos, como flagelos, fimbrias y pili. A continuación analizaremos cada una de las estructuras mencionadas: Membrana plasmática En el dominio Bacteria, la membrana plasmática es similar a la de los eucariontes. Tiene una doble capa lipídica y proteínas. La diferencia con la membrana de la célula eucarionte es que las membranas de Bacteria no contienen colesterol excepto los micoplasmas. En el dominio Archaea, la membrana puede consistir en una bicapa o en una monocapa más rígida, donde la disposición de las moléculas es diferente. Esta composición permite a las Archaea habitar ambientes extremos (hipertermofilia). Al igual que en el caso de Bacteria, la membrana de Archaea tampoco contiene colesterol. La membrana funciona como una barrera selectiva que permite el paso de nutrientes, oxígeno y desechos. En los procariotas aerobios, en ella se ubican las moléculas que intervienen en la respiración 6 celular; del mismo modo, en las bacterias fotosintéticas se encuentra la maquinaria necesaria para realizar dicho proceso. Ribosomas Una célula bacteriana puede tener 10000 ribosomas en su citoplasma, dando al mismo un aspecto granular. Cada ribosoma está formado por ARNr (ácido ribonucleico ribosomal) y proteínas. Estos orgánulos sintetizan proteínas. Material genético El material genético está formado por una única molécula de ADN circular, de doble cadena, libre en el citoplasma, que constituye un único cromosoma. Este ADN se encuentra muy enrollado. La región del citoplasma donde se ubica se denomina nucleoide. Además, pueden haber una o más moléculas pequeñas de ADN circular llamadas plásmidos, su función se estudiará al analizar la reproducción bacteriana. Pared celular Dado que la mayoría de las bacterias son hipertónicas 2 en relación con su ambiente, estallarían si no tuviesen pared. La pared celular proporciona contención externa a la membrana plasmática y le da la forma y la rigidez a la célula. En el dominio Bacteria, la pared está constituida por peptidoglucano o mureína, un polímero complejo de azúcares. Hipertónico: De dos soluciones de concentración diferente, la que contiene mayor concentración de partículas de soluto; el agua se mueve a través de una membrana selectivamente permeable hacia la solución hipertónica. 2 7 La estructura y el grosor de la pared define dos grupos de microorganismos que se diferencian por su respuesta a la coloración de Gram. Las bacterias grampositivas tienen una pared más gruesa con ácidos teicoicos en el exterior. Las gramnegativas tienen una pared más delgada y por fuera presentan una segunda bicapa lipídica, formada por lipopolisacáridos, que cumple varias funciones, en ella residen las toxinas de muchas bacterias patógenas intestinales. El espacio comprendido entre la membrana celular y la membrana externa se llama periplasma y allí se cumplen algunas funciones enzimáticas de hidrólisis y digestión. El microbiólogo danés C. Gram descubrió que al tratar un preparado microscópico sucesivamente con un colorante violeta, un fijador, un lavado con alcohol y un colorante de contraste rosa o rojo, algunas bacterias aparecían violetas y otras rosadas. Las células que retienen el primer colorante y se tiñen de violeta se llaman grampositivas. Aquellas que se tiñen con el segundo colorante (rosado), porque el violeta fue lavado por el alcohol, se llaman gramnegativas. La coloración de Gram refleja, entonces, una diferencia fundamental en la arquitectura de la pared de las eubacterias, la cual está en relación con los patrones de susceptibilidad a los antibióticos y a otras sustancias. Los micoplasmas, que son patógenos intracelulares obligados, carecen de pared. Las Archaea presentan diversos tipos de pared celular, algunos de los cuales son semejantes a los de Bacteria. Los termoplasmas carecen de pared. Estructura de la pared celular; (a) grampositivas. (b) gramnegativas . Cápsula 8 Algunas bacterias secretan una cápsula de polisacáridos viscosa por fuera de la pared celular; esta cápsula sirve de protección contra la desecación y las sustancias tóxicas, etc. Aunque en general su presencia no es vital para la bacteria, durante la infección la puede proteger del sistema inmune del hospedador y aumentar así su virulencia. Por ejemplo, la forma no encapsulada de Streptococcus pneumoniae es generalmente no virulenta. Algunas bacterias presentan otras sustancias en su superficie externa, además de las cápsulas. Por ejemplo, las células de muchas cianobacterias, forman estructuras filamentosas que secretan una baba o moco; de esta manera, al adherirse a una superficie sólida, las bacterias pueden deslizarse de un lugar a otro. Las bacterias que provocan la caries (distintas especies del género Streptococcus) producen un material viscoso que les ayuda a adherirse a los dientes. Este material constituye la base de la placa dental. Extremo basal de un flagelo bacteriano Apéndices Los flagelos son estructuras filamentosas proteicas (formadas por flagelina), que le dan movimiento natatorio a la célula. Están compuestos por un cuerpo basal, un gancho o codo y un filamento. El cuerpo basal, formado por varios anillos, está incluido en la membrana plasmática y constituye un verdadero motor rotativo. El gancho transmite el movimiento rotatorio al filamento helicoidal. El flagelo puede girar en ambos sentidos. Sólo tienen flagelos las bacterias móviles y, pueden aparecer como penachos en uno o ambos extremos o distribuidos en toda su superficie. Se diferencia del flagelo eucariótico en que no está envuelto por la membrana celular, sino que está amarrado a la membrana y a la pared sobresaliendo como un filamento proteico desnudo. Los flagelos permiten a los procariotas dispersarse a nuevos hábitats, migrar hacia los nutrimentos y abandonar ambientes desfavorables. Las bacterias flageladas se orientan hacia diversos estímulos, comportamiento que se conoce como taxis. Ciertas bacterias son quimiotácticas, es decir, se desplazan hacia sustancias químicas que despiden los alimentos o se alejan de sustancias tóxicas. Algunas son fototácticas, esto es, se acercan o se alejan de la luz, según el hábitat que necesitan. Otras bacterias flageladas son magnetotácticas. Estas formas perciben el campo magnético de la Tierra mediante imanes diminutos que se forman a partir de cristales de hierro dentro de su citoplasma. Las bacterias magnetotácticas utilizan este singular sistema sensorial para dirigir sus flagelos batientes a fin de descender al interior de los sedimentos acuáticos. No solo pueden moverse las bacterias flageladas, algunas especies acuáticas tienen vesículas de gas que les confieren flotación: regulando la cantidad de gas que se encuentra en ellas pueden subir o bajar lentamente. Ejemplos: cianobacterias, bacterias púrpuras, algunas arqueobacterias. Las fimbrias son estructuras proteicas (formadas por fimbrilina) semejantes a los flagelos pero mucho más numerosas, más cortas y de menor diámetro. Además carecen de cuerpo basal y gancho. Su función no es la movilidad, sino la adherencia de la célula a superficies inertes y a otras células, como por ejemplo durante el proceso de conjugación. Son muy comunes en bacterias gramnegativas, pero también están presentes en algunas grampositivas y en Archaea, sean flageladas o no. Las fimbrias que permiten la adhesión a las mucosas, se llaman adhesinas, lo que favorece la virulencia en ciertos grupos como 9 Neisseria gonorrhoeae, que provoca la gonorrea, adhiriéndose a la mucosa del tracto genital; la pérdida de fimbrias la vuelve incapaz de originar infección urogenital. Los pílí son estructuras similares a las fimbrias, pero más largos y menos numerosos. Su función se relaciona con la conducción del material genético de una célula a otra durante el proceso de conjugación. Microfotografía electrónica de células de E. coli en conjugación, la transferencia del material genético se lleva a cabo a través del pili (pelo largo, hueco y especial). La célula de la izquierda está cubierta de pelos no sexuales, que probablemente le ayudan a adherirse a superficies. Reproducción Las bacterias se reproducen típicamente por división celular o fisión binaria. Una célula “madre” duplica su material genético y celular que se reparte de manera equitativa dando lugar a dos células "hijas" genéticamente idénticas a la original. Se trata de una reproducción asexual o vegetativa. Luego de numerosas multiplicaciones a partir de una célula, se obtiene un clon o colonia de células iguales. Fisión binaria de E. coli Este esquema puede alterarse si se producen mutaciones, que constituyen la mayor fuente de variabilidad genética de los procariotas. En un cultivo de E. coli que se ha dividido 30 veces, aproxima-damente el 1,5% de las células son mutantes. Las mutaciones y el corto tiempo de generación de los procariotas son, en gran medida, responsables de su extraordinaria capacidad de adaptación y diversidad. Las bacterias también se reproducen sexualmente porque, además del cromosoma bacteriano, tienen los plásmidos, que son moléculas de DNA mucho más pequeñas y también circulares. La mayoría de los plásmidos pueden ser transferidos de célula a célula. Esta transferencia de DNA por contacto célula a célula se conoce como conjugación. El factor F (de fertilidad) es un plásmido presente en las células F+ dadoras (machos) y puede ser transferido a las células F(hembras) receptoras; estas células pueden transformarse en F+ y transferir, a su vez, el factor F. En el momento de la transferencia, el plásmido se replica por el mecanismo de círculo rodante y una copia de DNA de cadena simple entra a la célula receptora linealmente, de modo que los genes bacterianos penetran uno tras otro, en una secuencia fija. Luego se sintetiza la cadena complementaria. En 1959, un grupo de científicos japoneses descubrió que la resistencia a ciertos antibióticos y a otras drogas antibacterianas puede ser transferida fácilmente de una bacteria a otra. Luego de mezclar bacterias sensibles a ciertas drogas con bacterias resistentes adecuadas, el 100 % de las bacterias sensibles puede 10 transformarse en resistente en el plazo de una hora. Se encontró que la resistencia se debe a la transferencia de plásmidos que se conocen ahora como plásmidos R. Nutrición En cuanto a su nutrición, encontramos todas las alternativas posibles: algunos organismos son capaces de sintetizar las moléculas orgánicas a partir de sustancias inorgánicas simples (agua, dióxido de carbono) y alguna fuente de energía como la luz solar, es decir, son autótrofos. Otros, son heterótrofos, es decir utilizan los compuestos orgánicos producidos por otros seres vivos. Existen diferentes tipos de bacterias heterótrofas: o Las saprófitas, que viven sobre los cuerpos muertos de animales y vegetales, son importantes porque descomponen los cuerpos de las plantas y animales muertos en sus componentes esenciales, haciéndolos accesibles para ser utilizados como alimento por las plantas. o Muchas bacterias se encuentran, en condiciones normales, en los tejidos humanos, incluso en el tubo digestivo y la piel, donde pueden resultar indispensables para los procesos fisiológicos. Este tipo de relación recibe el nombre de mutualismo. o Los parásitos, el tercer tipo, pueden provocar la destrucción de las plantas o de los animales en los que viven. Respiración Con respecto a la respiración celular, existen bacterias que son aeróbicas estrictas u obligadas, es decir que solo pueden vivir en presencia de oxígeno (bacterias acéticas). Otras bacterias son anaeróbicas estrictas, es decir, el oxígeno es letal para ellas (bacterias causantes del botulismo, el tétanos y la gangrena). Existen además, bacterias anaerobias facultativas, como E. coli, son capaces de respirar aeróbicamente si el oxígeno se encuentra presente en el medio. Formación de endosporas Cuando las condiciones ambientales se tornan inhóspitas, muchas bacterias del dominio Bacteria forman estructuras latentes protectoras llamadas endosporas. La endospora (literalmente, "espora interior") se forma adentro de la bacteria, como lo muestra la figura (las endosporas aparecen coloreadas de rojo en el interior de las bacterias). La misma contiene material genético y unas pocas enzimas encerradas dentro de una gruesa capa protectora. La actividad metabólica cesa por completo. Las endosporas son estructuras resistentes que sobreviven en condiciones sumamente desfavorables. Algunas resisten la ebullición durante una hora o más. Otras sobreviven durante lapsos extraordinariamente largos. Se trata de células cuyas características más sobresalientes son: 1) su extraordinaria resistencia, sobre todo al calor, pero también a la desecación, a las radiaciones, a ácidos y a desinfectantes químicos y 2) su perdurabilidad: pueden permanecer años "en reposo" y continuar siendo viables. 11 La formación de esporas incrementa, en gran medida, la capacidad de supervivencia de las células procarióticas. Por ejemplo, las esporas de Clostridium botulinum, la bacteria que causa el botulismo, no se destruyen al ser hervidas durante varias horas. Al mismo género pertenecen C. perfringens y C. tetani, causantes de la gangrena y del tétanos, respectivamente. El descubrimiento de estas estructuras de resistencia al calor fue de gran importancia para la microbiología porque permitió el desarrollo de métodos adecuados de esterilización. Estos métodos permitieron matar esporas aplicando 120°C durante 15-20 minutos. Importancia ecológica de los Procariotas Los procariontes son muy importantes para la biosfera por diferentes causas: Los ecosistemas dependen del reciclado continuo de elementos químicos entre los componentes vivos y no vivos del ambiente; los procariontes desempeñan un papel importante en este proceso. Por ejemplo, los procariontes heterótrofos actúan como descomponedores porque degradan los cadáveres, los vegetales muertos y los productos de desecho; de esta manera crean fuentes de carbono, nitrógeno y otros elementos. La gama de compuestos que los procariotas atacan es asombrosa. Casi cualquier cosa que los seres humanos sintetizamos, incluso los detergentes y el tóxico disolvente benceno, algún procariota es capaz de destruirla. El término biodegradable (que significa "que puede ser desdoblado por seres vivos") se refiere en gran medida a la acción de los procariotas. Incluso el petróleo es biodegradable. Poco después de que el buque cisterna Exxon Valdez derramara 40 millones de litros de petróleo crudo en el Estrecho del Príncipe Guillermo, en Alaska, investigadores de la Exxon rociaron las playas impregnadas de petróleo con un fertilizante que favorecía el crecimiento de las poblaciones naturales de bacterias que se alimentan de petróleo. Al cabo de 15 días los depósitos se habían reducido notablemente en comparación con las zonas no rociadas. Los procariotas no consiguen ni con mucho el mismo éxito, sin embargo, en la degradación de casi cualquier tipo de plástico. La búsqueda de plásticos útiles y económicos que también sean biodegradables es, por consiguiente, un objetivo importante de la investigación industrial. También convierten los compuestos inorgánicos en formas que pueden ser incorporadas por otros organismos. Como por ejemplo, los procariontes autótrofos, como las cianobacterias, utilizan dióxido de carbono para sintetizar compuestos orgánicos, que luego comienzan a circular a través de las cadenas alimentarias. Las vacas, al igual que las ovejas y algunos animales no domésticos como los ciervos, son miembros del grupo conocido como los rumiantes. Los rumiantes comen hojas para subsistir, pero en realidad no pueden digerir ese material vegetal por sí solos; por esta razón, dependen de ciertas bacterias que tienen la facultad de desdoblar la celulosa, que es el principal componente de la pared celular. Algunas de estas bacterias han establecido una relación mutualista con los rumiantes, y habitan en el tracto digestivo de los animales, donde ayudan a liberar los nutrimentos del alimento vegetal que los animales son incapaces de desdoblar por sí solos. Sin las bacterias simbióticas las vacas no sobrevivirían. Los procariotas tienen repercusiones importantes en la nutrición humana. Muchos alimentos, como el queso, el yogur y el choucroutte, se producen mediante la acción de bacterias. También habitan bacterias simbióticas (mutualistas) en nuestros intestinos. Estas bacterias se alimentan de comida sin digerir y sintetizan nutrimentos como la vitamina K, el ácido fólico y la biotina que son absorbidas por el cuerpo humano. Las plantas dependen enteramente de las bacterias. En particular, las plantas son incapaces de captar el nitrógeno del depósito más abundante de ese elemento: la atmósfera. Las plantas 12 necesitan nitrógeno para crecer; obteniéndolo de las bacterias fijadoras de nitrógeno, o bacterias nitrificantes (Rhizobium, Azotobacter, etc.) que viven tanto en el suelo como en nódulos especializados: pequeños bultos redondos de las raíces de ciertas plantas (las leguminosas, que incluyen la alfalfa, la soja, el lupino y el trébol). Las bacterias nitrificantes toman nitrógeno gaseoso (N2) del aire atrapado en el suelo y lo combinan con hidrógeno para producir ión amonio (NH/4), un nutrimento nitrogenado que las plantas utilizan directamente. No obstante lo útiles que algunas bacterias son, otras, en cambio, amenazan nuestra salud y bienestar. A continuación se describirán algunas enfermedades producidas por bacterias. Sífilis La sífilis es una enfermedad infecciosa producida por la espiroqueta Treponema pallidum. Se la clasifica según su forma de contagio en sífilis adquirida y sífilis congénita. Sífilis adquirida. Las espiroquetas penetran en los tejidos durante el acto sexual y se multiplican rápidamente en el sitio de entrada. Luego, a través de la sangre, llegan a los ganglios y otros órganos. Presenta tres períodos evolutivos: Período primario o de infección. Consiste en la formación del el chancro -una úlcera redondeada u oval, no dolorosa- que aparece dos o tres semanas luego del contagio. El chancro sifilítico es sumamente infeccioso y se ubica en la zona genital, aunque puede localizarse también en la región anal o bucal. Período secundario o de reactivación. Se presenta con sintomatología variada y múltiple; las lesiones pueden localizarse en la piel y en otros órganos. Comienza a los setenta días de la infección, cuando el chancro va desapareciendo; durante este período la sífilis también es denominada "gran simuladora", porque las lesiones tienen el aspecto de las de la varicela, la difteria, etc. Tanto en el período primario como en el secundario, el peligro de contagio es muy grande. Período terciario o de destrucción. Si no fue tratada en los períodos anteriores, se manifiesta luego de un tiempo de latencia de unos treinta años, produciéndose entonces la destrucción de los tejidos, y quedando el sistema nervioso central irreversiblemente comprometido; la afección puede provocar convulsiones, parálisis, sordera, hemiplejía, incontinencia urinaria, alteración del habla, temblores, etc. En la piel aparecen lesiones destructivas que dejan cicatrices considerables. La lesión fundamental de este período es el goma, masa dura de tejidos que se forma en algunos órganos, como el hígado o el cerebro. Sífilis congénita. Las espiroquetas de la madre enferma atraviesan la barrera placentaria a fines del cuarto mes de embarazo contagiando al feto. En la sífilis precoz, los síntomas aparecen antes de los dos años de vida, producién dose lesiones en la piel, las mucosas y los huesos, y un agrandamiento del hígado y del bazo. La sífilis tardía se manifiesta después de los dos años, y las lesiones producen alteraciones en los dientes, los huesos, la piel y otros órganos, provocando también sordera. Tuberculosis (TBC) En 1996, una serie de informes publicados por la Organización Mundial de la Salud (OMS) y por el Worldwatch Institute dio a conocer una triste noticia: varias enfermedades que parecían erradicadas, o cuando menos bajo control, habían reaparecido con mayor virulencia. Entre éstas, una de las más preocupantes es la tuberculosis (TBC), una enfermedad infecciosa producida por el bacilo Mycobacterium tuberculosis. En 1882, el microbiólogo alemán Robert Koch (1843-1910) descubrió el agente causal, por lo que también se lo conoce como bacilo de Koch. 13 La TBC constituyó un grave problema para la salud mundial. Se estima que en Europa, durante el siglo XIX, una de cada diez muertes era provocada por esta afección. Actualmente, la tuberculosis es una enfermedad que afecta a más de la tercera parte de la población del mundo y, de acuerdo con estudios realizados por la OMS, lamentablemente se previó que en la última década del siglo XX ha quitado la vida a alrededor de 30 millones de personas en los países en vías de desarrollo. Para tener en cuenta: el bacilo de la tuberculosis es de fácil transmisión por el aire. En promedio, una persona contagiada puede infectar entre diez y quince individuos. Ciclo de la tuberculosis: Los bacilos de Koch presentan una alta tolerancia al ácido y al alcohol, por lo que se conocen como bacilos ácido-alcohol resistentes (BAAR). Penetran por las vías respiratorias y se alojan rápidamente en los tejidos pulmonares, donde producen las primeras lesiones. Después forman las cavernas tuberculosas, sobre todo en los lóbulos superiores de los pulmones; asimismo producen lesiones pleurales. Además, esta bacteria se disemina por la vía sanguínea afectando distintos órganos. Así es como puede producir esterilidad, meningitis tuberculosa, etc. En el caso de los enfermos de sida, quienes no cuentan con las defensas adecuadas, la TBC es especialmente grave y frecuente. Si la infección prospera, se manifiestan los primeros síntomas: fatiga, fiebre, pérdida de peso y tos acompañada de esputos sanguinolentos. Los esputos que eliminan los enfermos son la principal fuente de contagio, porque los bacilos se propagan en gotitas suspendidas en el aire o por partículas de polvo. El bacilo puede permanecer latente en el organismo durante un largo período hasta que una disminución de las defensas del cuerpo permita el desarrollo de la enfermedad. Por esta razón la tuberculosis se manifiesta especialmente en regiones superpobladas, de bajos recursos y con altos índices de desnutrición. Profilaxis y tratamiento de la tuberculosis: El Programa Nacional de Control de la Tuberculosis, que tiene como propósito disminuir el riesgo de infección y muerte por TBC en nuestro país, se basa fundamentalmente en: a) búsqueda de casos: se detecta a los pacientes que son fuente de infección y pueden contagiar a las personas sanas; b) determinación de los grupos de riesgo: incluye a quienes conviven con el enfermo, a los diabéticos, los desnutridos y los enfermos de sida; c) tratamiento antituberculoso: debe realizarse simultáneamente con la búsqueda de casos, ya que una vez diagnosticada la enfermedad debe indicarse el tratamiento con un antibiótico específico. Las posibilidades de curación son del 95 por ciento; d) vacunación: La vacuna antituberculosa (BCG) debe colocarse en el recién nacido, antes del séptimo día de nacimiento. El refuerzo se coloca a los seis años de edad (1º año EGB). Botulismo El botulismo es una enfermedad provocada por una toxina que es producida por la bacteria Clostridium botulinum en alimentos mal conservados. Se manifiesta con un cuadro neurológico muy grave y sólo un tercio de las personas afectadas sobrevive. El botulismo no es una infección, sino una intoxicación. Se conocen tres formas de botulismo: la de origen alimentario (clásica); el botulismo por heridas (cuadro raro, producido por la contaminación de una herida en la cual surge un medio anaeróbico) y el botulismo del lactante. La diferencia entre estas tres formas es el sitio de producción de la toxina, pero en todas actúa la neurotoxina botulínica, la cual lleva a una parálisis muscular. Los síntomas comienzan a manifestarse rápidamente, entre 18 y 24 horas después de la ingestión de la toxina, entre ellos boca seca, 14 trastornos visuales como diplopía (visión doble) e incapacidad para deglutir y para hablar. No hay fiebre ni síntomas gastrointestinales. La muerte se produce por parálisis respiratoria o paro cardíaco. El botulismo del lactante afecta sobre todo a niños menores de un año y es debido a la ingestión de esporas, y no de la toxina preformada, como en el caso del botulismo de origen alimentario. La miel es un vehículo común para la diseminación de las esporas. Los primeros síntomas son: estreñimiento; letargia; intranquilidad; falta de apetito; dificultad para deglutir; pérdida de control de la cabeza, etc. La enfer medad evoluciona hasta producirse una debilidad generalizada y, en algunos casos, insuficiencia y paro respiratorios. Algunos estudios sugieren que el 5% de los casos del síndrome de muerte súbita del lactante se debe al botulismo. El tratamiento del botulismo de origen alimentario y el causado por heridas consiste en la inyección de la antitoxina botulínica, que es efectiva si se la administra rápidamente. La bacteria que produce esta patología proviene del suelo, pero crece y se multiplica sobre todo en vegetales y también en animales; se desarrolla en ausencia de oxígeno y a un pH alcalino, por lo que las conservas caseras, especialmente las de pescado, chauchas, berenjenas, pimientos, etc. resultan peligrosas si no son realizadas adecuadamente. Prevención: Debido a que la toxina es termolábil, es decir, se destruye por medio del calor, en nuestra casa, si queremos consumir una conserva casera, debemos hervirla a baño maría durante treinta minutos, de esta forma nos aseguramos de destruir la toxina. Tétanos Es una enfermedad causada por una toxina (tetanoespasmina) producida por la bacteria Clostridium tetani. Esta toxina actúa sobre el sistema nervioso central. La bacteria es habitante normal del suelo y del intestino de los animales y seres humanos; es ubicua en el medio, en especial en los sitios que tienen probabilidad de ser contaminados con excrementos. Las heridas son el sitio donde el microorganismo se multiplica y produce la toxina. Las heridas más peligrosas son aquellas contaminadas, con tejidos desvitalizados y traumatismos por punción profunda ya que es una bacteria anaerobia. Los síntomas de la enfermedad aparecen aproximadamente a la semana de producido el ingreso de la bacteria. Consisten en la aparición de espasmos musculares generalizados graves, que con frecuencia persisten durante una semana o más y ceden en un período de unas semanas en las personas que se recuperan. El Tratamiento consiste en: completa limpieza y desbridamiento (separación de los tejidos desvitalizados) de la herida para eliminar los clostridios, uso de antibióticos (penicilina), neutralización de la toxina con antitoxina, reducción de los espasmos musculares y asistencia respiratoria. El 60% de los casos establecidos de tétanos son mortales a pesar del tratamiento. Prevención: Debe vacunarse todos los niños y a la población de riesgo (agricultores, trabajadores de la construcción, soldados, deportistas que practican el montañismo o excursionistas habituales). La vacunación consiste en la administración de tres inyecciones del toxoide tetánico (toxina inactivada por el calor) y dosis de refuerzo cada diez años. Una dosis de refuerzo también es conveniente cuando existen heridas de riesgo. La vacunación infantil suele asociarse a las vacunas de la tos ferina, difteria y Antihaemophilus influenzae b (vacuna cuádruple, cuyo refuerzo se coloca a los 18 meses); también se la asocia en la vacuna pentavalente, que agrega a la anterior la vacuna de la H B y que se coloca a los 2, 4 y 6 meses de vida. La de adultos se suministra como Doble (Antitetánica y Antidiftérica). 15 También existe el tétanos neonatal, una causa frecuente de mortalidad de los recién nacidos en países en vías de desarrollo. Se produce por falta de vacunación de la mujer embarazada (porque no ha sido vacunada nunca o el lapso es mayor a 10 años). Bibliografía: AUDESIRK, Teresa y otros. Biología. La vida en la tierra. Sexta Edición. Prentice Hall. México.2003. CAMPBELL, Neil y REECE, Jane. Biología. 7º edición. Médica Panamericana. Madrid. 2007. CUNIGLIO, Francisco y otros. Educación para la salud. Santillana. Buenos Aires. 2005. CURTIS, Helena y otros. Biología. Sexta Edición. Panamericana. España.2000. Guía de Actividades 1. Lee la bibliografía. 2. a) ¿En cuántos reinos se clasifica actualmente la diversidad de seres vivos? ¿Cuáles son esos reinos, qué organismos se ubican en cada uno? b) Menciona los científicos que propusieron esta clasificación y explica el criterio que se tuvo en cuenta para realizarla. c) ¿Cuál es el problema que sufre actualmente esta clasificación? ¿Por qué? 3. Elabora un cuadro comparativo que exprese las semejanzas y diferencias entre la célula procariota y eucariota. 4. ¿Qué significa bacteria? Menciona los linajes más importantes que pertenecen a los dominios Bacteria y Archaea. 5. ¿Qué características debe tener un organismo en cuanto al tipo y al número de células para ser clasificado dentro del reino Monera? 6. ¿Cómo se clasifican las bacterias según su forma y la disposición que adoptan las células al dividirse? Dibújalas y cita un ejemplo de cada caso. 7. Dibuja una célula bacteriana y señala todas sus estructuras internas y externas. 8. Explica la composición y la función de cada estructura señalada en el esquema del punto anterior. 16 9. ¿Qué importancia tiene conocer la estructura de la pared celular en bacterias? ¿De qué modo puede hacerse? 10. Explica las formas de reproducción de las bacterias y la utilidad de conocer estos procesos. 11. ¿Qué tipo de nutrición tienen las bacterias? 12. ¿Qué significan los siguientes términos: aerobio estricto, anaerobio facultativo, anaerobio estricto? Da un ejemplo en cada caso. 13. ¿Qué son las endosporas? ¿Cuándo se forman y cómo están constituidas? ¿Tienen alguna importancia para el hombre? 14. ¿En qué tipos de ambiente podemos encontrar bacterias? ¿Cuál es la causa? 15. Desde el punto de vista ecológico existen bacterias que producen enfermedades; explica para cada una de las enfermedades mencionadas: Agente causal, puerta de entrada al organismo, daños que produce en nuestro cuerpo, prevención. 16. Además de existir bacterias que producen enfermedades, desde el punto de vista ecológico ¿Qué otra importancia tienen las bacterias? Cita ejemplos. 17