El fenotip estès: la genètica més enllà del propi cos

Els gens determinen el nostre color d’ulls, la nostra alçada, guien el nostre desenvolupament al llarg de la vida i, fins i tot, el nostre comportament. Tots els éssers vius tenen gens que, un cop s’expressen, es manifesten d’una manera més o menys explícita en el seu cos, modelant-lo i atorgant-li tota una sèrie de trets i funcions. És possible, però, que l’expressió d’alguns gens tingui efectes més enllà del propi cos?

Descobreix algunes idees bàsiques sobre la teoria del fenotip estès.

Primer de tot, necessitem aclarir dos conceptes bàsics que us ajudaran a entendre millor el concepte de fenotip estès: genotip i fenotip.

Genotip

El genotip és la col·lecció de gens o informació genètica que posseeix un organisme en particular en forma d’ADN. També pot referir-se als dos al·lels d’un gen (o formes alternatives d’un gen) que hereta un organisme dels seus progenitors, un per progenitor.

La informació genètica que poseeix un organisme en particular en forma d’ADN constitueix el seu genotip. Imatge de domini públic.

No s’ha de confondre amb el genoma: mentre que el genoma fa referència al conjunt de gens continguts en l’ADN d’una espècie sense tenir en compte la seva diversitat (polimorfismes) entre individus, el genotip sí que contempla aquestes variacions. Per exemple: el genoma humà (de tota l’espècie Homo sapiens sapiens) i el genotip d’una única persona (conjunt de gens i les seves variacions en un únic individu).

Fenotip

El genotip, o com a mínim una part, s’expressa dins l’organisme contribuint als seus trets observables. Aquesta expressió té lloc quan la informació codificada en l’ADN dels gens s’utilitza per sintetitzar proteïnes o molècules d’ARN, el precursor de les proteïnes. El conjunt de trets observables que s’expressen a partir del genotip rep el nom de fenotip.

El color dels ulls (fenotip) es manifesta a partir de l’expressió dels gens de cada organisme particular (genotip); és a dir, dels seus al·lels. Imatge de cocoparisienne a Pixabay (domini públic).

Tanmateix, els gens no ho són sempre tot a l’hora de definir els trets d’un organisme: l’entorn també pot influir sobre la seva expressió. Així doncs, una definició més completa de fenotip seria el conjunt d’atributs que es manifesten en un organisme en particular com la suma de l’expressió dels seus gens i de les pressions de l’entorn sobre aquests. Alguns gens únicament expressen un fenotip concret donades certes condicions ambientals.

La teoria del fenotip estès

El concepte de fenotip estès va ser proposat per Richard Dawkins en el seu llibre “El Fenotip Estès” (1982). Dawkins es va fer famós després de la publicació de la que seria la seva obra divulgativa més polèmica, “El gen egoista” (1976), la qual li serví de base per a l’elaboració de la seva teoria sobre el fenotip estès.

Segons el propi Dawkins, un fenotip estès és aquell que no es limita al cos individual en el qual s’allotja un gen; és a dir, són “tots els efectes que un gen causa sobre el món”. Així doncs, un gen pot influir en el medi ambient en què viu un organisme per mitjà del comportament d’aquest organisme.

Dawkins també considera que un fenotip que va més enllà del propi organisme podria arribar a influir en el comportament d’altres organismes al seu voltant, beneficiant així a tots ells o únicament a un… i no necessàriament a l’organisme que expressa el fenotip. Això ens duria a escenaris a priori estranys com, per exemple, que el fenotip d’un organisme fora avantatjós per a un paràsit que l’ataqués en lloc de per a ell mateix. Aquesta idea es resumeix en el que Dawkins anomena el “Teorema central del fenotip estès”: “el comportament d’un animal tendeix a maximitzar la supervivència dels gens ‘per’ aquest comportament, independentment que aquests gens estiguin o no dins del cos de l’animal que manifesta aquest comportament”.

Aquesta idea tan complexa adquireix sentit si tenim en compte la premissa bàsica de la qual parteix Dawkins, la qual tracta en la seva obra “El gen egoista”: la unitat bàsica de l’evolució i únic motor de la selecció natural, més enllà dels individus i les poblacions, són els gens, sent els cossos dels organismes meres “màquines de supervivència” millorades per assegurar la perpetuació dels gens.

Exemples de fenotip estès

Potser tots aquests conceptes semblen molt complicats, però ho entendreu tot molt millor amb alguns exemples. Segons Dawkins, hi ha tres tipus bàsics de fenotip estès.

1) Arquitectura animal

Els castors construeixen dics i modifiquen el seu entorn, de la mateixa manera que una colònia de tèrmits construeix un termiter i altera el terreny, com a part del seu estil de vida.

Dic construït per castors. Imatge de Hugo.arg (CC 4.0)

Termiters a Austràlia. Imatge de domini públic.

D’altra banda, les cases o estoigs que construeixen els tricòpters al seu voltant a partir de material disponible en el medi milloren la seva supervivència.

Larva de tricòpter dins del seu estoig fet de material vegetal. Imatge de Matt Reinbold (CC 2.0)

Tots aquests són exemples del tipus de fenotip estès més simple: l’arquitectura animal. El fenotip és, en aquest cas, una expressió física o material del comportament de l’animal que contribueix a millorar la supervivència dels gens que expressen aquest comportament.

2) Manipulació del comportament de l’hoste per part del paràsit

En aquest tipus de fenotip estès, el paràsit expressa uns gens que controlen el comportament del seu hoste. Dit d’una altra manera, el genotip del paràsit manipula el fenotip (en aquest cas, el comportament) del parasitat.

Un exemple clàssic és el de grills sent controlats per nematomorfs o gordiacis, un grup de “cucs” parasitoides (en anglès, “hair worms”), com s’explica en aquest vídeo:

En resum: les larves d’aquests cucs es desenvolupen dins d’hostes aquàtics, com les larves de les efímeres. Quan les efímeres assoleixen l’edat adulta un cop feta la metamorfosi, es desplacen volant a terra ferma, on moren; i és aquí on els grills entren en escena: un grill adult s’alimenta de les restes de les efímeres i adquireix els parasitoides, els quals es desenvolupen a l’interior del grill alimentant-se del seu greix corporal. Els cucs adults han de tornar al medi aquàtic per a completar el seu cicle vital i, per fer-ho, controlen el cervell del grill per “obligar-lo” a anar fins a una font d’aigua. Un cop a l’aigua, els cucs deixen enrere el cos del grill, el qual mor ofegat.

Altres exemples són el de les femelles de mosquit portadores del protozou de la malària (Plasmodium), el qual fa que les femelles de mosquit (Anopheles) se sentin més atretes per l’alè humà que les no infectades, i el de les gales induïdes en plantes per diversos insectes, com els cinípids (petites vespes).

3) Acció a distància

Un exemple recurrent d’aquest tipus de fenotip estès és la manipulació del comportament de l’hoste per part dels pollets de cucut (grup d’aus de la família Cuculidae). Moltes espècies de cucuts, com el cucut comú (Cuculus canorus), ponen els ous en els nius d’altres aus perquè aquestes els criïn enlloc seu; al mateix temps, els pollets de cucut eliminen la competència desfent-se dels ous de l’altra espècie.

Mireu com el pollet de cucut es desfà dels ous d’una boscarla de canyar (Acrocephalus scirpaceus)!

En aquest cas de parasitisme, el pollet no està físicament associat a l’hoste, però influeix en l’expressió del seu fenotip conductual.

Boscarla de canyar alimentant un pollet de cucut comú. Imatge de Per Harald Olsen (CC 3.0).

.            .            .

Hi ha molts més exemples i estudis sobre aquest concepte. Si us interessa molt el tema, us recomano la lectura del gen egoista (sempre des d’una mirada crítica i oberta). Si, a més a més, teniu uns bons coneixements en biologia, us animo a llegir-vos també el fenotip estès.

Imatge de portada: Alandmanson / Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Ebola: què en sabem?

8 de Maig del 2018. Repúlica Democrática del Congo. El Govern del país declara un nou brot d’ Ebola Virus després de la mort de 17 persones i 21 possibles afectats. Ja haviem sentit parlar d’aquest desconegut virus a l’any 2014 a la coneguda com a major epidemia del virus. Però, que en sabem d’ell? Passa i coneix de primera mà totes les dades virològiques que es coneixen sobre aquest interessant virus. 

 

EBOLA VIRUS

GENERALITATS

El virus de l’Ebola, que presenta una forma característica en forma de fil, pertany a la família dels Filoviridaes (juntament amb el virus del Marbug i el Cuevavirus). Es coneixen actualment cinc variants diferents: Bundibugyo (BDBV), Ebola Zaire (EBOV), Reston virus (RESTV que no presenta símptomes als humans), Sudan (SUDV) i Taïforest (TAFV).

Va ser descobert  l’any 1976 en dos brots diferents a Sudán Sud i República democràtica del Congo, afectant sobretot a petites comunitats i amb una mortalitat d’entre el 50-90%. A partir d’aquesta primera observació, s’han tingut constància una gran quantitat de brots explosius i temporals (és a dir, curts en el temps però de ràpida expansió) amb una mortalitat molt variada. Els brots s’han donat a Europa (Amb una letalitat del 0%), a Nord Amèrica (també amb una mortalitat del 0%) i sobretot a Àfrica (amb una mortalitat variada). Al gràfic següent podem observar els diferents brots que s’han registrat a Àfrica fins al 2014, on destaca el darrer brot enregistrat amb més de 25.000 afectats i 10.000 morts. Per poder observar correctament les dades, pitjau a sobre la imatge.

 

Representació gràfica dels brots d’Ebola a Àfrica des del seu descobriment. Imatge de SciDevNet.

Els coneixements sobre aquest virus eren escassos, però degut als grans efectes que ha provocat al llarg dels anys i la possibilitat de que s’utilitzi en un futur com a arma biològica, les iniciatives per descobrir noves característiques i possibles tractaments han proliferat de forma significativa. Doncs, que sabem actualment sobre el virus de l’Ebola?

CARACTERÍSTIQUES BIOLÒGIQUES

 

Com es poden observar a les diferents imatges microscòpiques, el virus de l’Ebola presenta una forma filamentosa que pot arribar fins a 14.000 nm de llarg i uns 80 nm aproximadament de diàmetre (consultau aquest article de microbiología bàsica per tenir un concepte més clar sobre la mida dels microorganismes). El virus presenta una ARN monocaternari negatiu de 19,1 kb que codifiquen per unes set proteïnes estructurals que conformen les diferents capes del virus.

Microfotografia del virus de l’Ebola. Imatge extreta de Health and Lifestyle.

ESTRUCTURA

L’ebola presenta un nucleoide de forma tubular i espiral  (d’aproximadament 20-30 nm de diàmetre) que es troba al centre i  rodejat per una càpside helicoidal ( d’uns 40-50 nm) que alhora es troba envoltada per una membrana espiculada (envolta viral).

 

Estructura bàsica del virus de l’Ebola. Modificació de PtoMontt.

NUCLEOIDE

El nucleoide està format per dues proteïnes concretes: NP (nucleoproteïna estructural) i L (una ARN polimerasa). La primera d’elles conforma l’estructura del nucleoide i trobem 11 proteïnes per cada gir de l’hèlix (és la que s’uneix al ARN). Per altra banda, la proteïna L al ser una ARNpolimerasa s’encarrega de sintetitzar ARN positius per la replicació del virus dins la cèl·lula de l’hostatger.

Esquema de l’estructura detallada del virus de l’Ebola. Modificat de Visual Science.

CÀPSIDE

La càpside helicoidal és la capa que conté major nombre de proteïnes. Conté la proteïna P (funció desconeguda), la proteïna VP30 (que s’encarrega de desplegar l’ARN dins l’hostatger, factor de transcripció); la VP35 ( que juntament amb l’anterior es tracta d’un factor de transcripció i un antagonista dels Interferons); la proteïna VP40 (que es troba en grans quantitats) i la VP24 (en menor quantitat) que es creu que s’encarreguen de les funcions estructurals per unir la càpside amb el nucleoide. Per altra banda, aquesta VP40 forma tota una sèrie de dímers i es creu que dins la cèl·lula de l’hostatger forma estructures circulars, la funció de les quals encara és desconeguda. La VP24 es creu que també pot tenir funcions com interferó o un cofactor de la polimerasa.

ENVOLTA VIRAL

La membrana que conforma l’envolta viral està formada per la glicoproteïna viral que forma trímers amb una part transmembrana i una extracel·lular. Aquesta es troba envoltada per proteïnes, lípids, factors d’histocompatibilitat i receptors de membrana que obté de la membrana cel·lular de l’hostatger, és a dir, són d’origen no viral.

Representació de l’estructura de la membrana viral. Mostra una unitat de glicoproteïna viral. Imatge: Visual Science.

Als esquemes emprats per la visualització de l’estructura del virus de l’Ebola, les estructures de color grisenc corresponen a aquelles que són d’origen no viral (es a dir, que les agafa un cop ha sortit de la cèl·lula de l’hostatger) i les vermelles són les proteïnes i estructures víriques.

 

CICLE DEL VIRUS

CICLE ECOLÒGIC

 

El virus de l’Ebola és un virus d’origen africà i es creu que el seu reservori natural són els ratpenats frugívors de la Família Pteropodidae. Aquests poden infectar accidentalment altres mamífers, com ara simis no humans. Aquests són els que més pateixen la malaltia produïda pel virus de l’Ebola, però també poden infectar als humans de forma accidental o perquè aquests darrers s’alimentin de carn i cervells de simis infectats. Entre humans, la transmissió del virus es realitza mitjançant el contacte amb fluids corporals com per exemple la sang, vòmits, excrements i també en certs casos molt greus, al semen, llet materna o orina. No es pot transmetre per l’aire, però si en microgotes de saliva llançades amb esternuts o mentre parlem.

Cicle de transmissió del virus Ebola. Imatge de la CDC.

 

CICLE INTRACEL·LULAR (PROCÉS D’INFECCIÓ)

 

Un cop es troba dins l’humà, aquest virus s’uneix als receptors de membrana de les cèl·lules de l’endoteli capil·lar (sistema circulatori) o de determinades cèl·lules del sistema immunitari. S’ha observat que generalment s’uneix a receptors com l’HAVCR1 (TIM1) que inicia una senyalització cel·lular per activar el mecanisme de macropinocitosis (captació de material a l’espai extracel·lular per invaginació de la membrana cel·lular). Així doncs, la membrana de la cèl·lula recobreix el virus i l’introdueix cap al citoplasma. Dins l’endosoma, l’envolta viral és destruïda pels enzims lisolítics i el nucleoide es fusiona amb la membrana de l’endosoma i surt cap a l’exterior.

Un cop dins el citoplasma, la proteïna L comença a transcriure l’ARN viral i mitjançant els mecanismes de la cèl·lula de l’hostatger es sintetitzen les proteïnes virals i dins el nucli cel·lular es replica l’ARN viral. Aquest darrer surt del nucli mitjançant un transportador dependent d’actina i es dirigeix cap a la membrana cel·lular on es troba amb les proteïnes virals. Es fusiona amb la membrana i amb una part d’aquesta forma la seva envolta viral que recobrirà la càpside i el nucleoide.

Representació de les fases del procés d’infecció del virus de l’Ebola. Imatge de ViralZone.

 

HI HA ALGUN TRACTAMENT O VACUNA PER L’EBOLA?

 

Després del brot del 2014 es va posar a prova la vacuna preventiva anomenada VSV-EBOV. Aquesta és una vacuna recombinant formada per virus de l’estomatitis vesicular (VSV) modificada genèticament. Aquesta porta glucoproteïnes de l’Ebola i al entrar a l’hostatger provoca una resposta immunilògica. Així, el sistema immunitari estarà preparat per una possible infecció per Ebolavirus.

Per altra banda, al Centre Superior d’Investigacions Científiques (CSIC), es treballa amb cinc prototips de vacuna de l’Ebola, un dels quals es una gran millora de la VSV-EBOV, ja que a part de la glicoproteïna també es sintetitza una VP40. Així, la vacuna està composta amb un virus molt atenuat i molt semblant al virus de l’Ebola.

Un cop s’està infectat pel virus de l’Ebola, l’únic tractament viable actualment és la utilització d’anticossos monoclonals i antivirals.

·

L’Ebola no desapareixerà, per tant, tots els coneixements que es puguin adquirir sobre ell seran un gran avantatge per prevenir i poder arribar a curar aquestes infeccions. 

 

BIBLIOGRAFIA

 

• Centre pel control  i prevenció de malalties (CDC, en anglès)
• MicroBio Blog.
• Visual Science. Poster educatiusobre l’Ebola (Disponible aquí)
• Imatge de portada: Janssen 

 

 

Simbiosi entre insectes i microorganismes: els endosimbionts

Les relacions simbiòtiques són un motor important per a la diversificació i evolució dels organismes. Als insectes, les relacions que estableixen amb microorganismes endosimbionts (és a dir, que resideixen a l’interior del seu cos) els han dotat d’un gran nombre d’adaptacions sorprenents.

La importància de la relació entre insectes i els seus endosimbionts

Gran part de l’èxit evolutiu i adaptatiu dels insectes ve donat per la seva capacitat per relacionar-se amb altres organismes i, especialment, amb microorganismes ubicats dins del seu cos: els endosimbionts.

Fins fa alguns anys, es considerava que la major contribució dels microorganismes endosimbionts a la fisiologia dels insectes era el seu paper en l’alimentació, fet que explicaria la seva gran diversitat de dietes. Tanmateix, s’ha demostrat que els endosimbionts afecten molts més aspectes de la seva fisiologia.

Tipus d’endosimbiosi

Els microorganismes endosimbionts poden trobar-se dins del tracte digestiu, als espais entre les cèl·lules i dins d’elles.

Com a norma general, com més internament es troba l’endosimbiont, més estreta és la seva relació amb l’insecte. A continuació, analitzarem els quatre tipus més habituals d’endosimbiosi en insectes, començant per la més externa i menys estreta.

Microorganismes del tracte digestiu

La microbiota del tracte digestiu dels insectes es compon tant de procariotes (unicel·lulars, sense nucli, com bacteris i arquees) com d’eucariotes (uni o pluricel·lulars, amb nucli, com els protozous), i és exclusiva de l’intestí.

Generalment, se situen fora de les cèl·lules a la part posterior de l’intestí, movent-se lliurement dins la seva llum o adherits a les seves parets. En molts insectes fitòfags, com tèrmits i paneroles, aquesta part posterior de l’intestí forma una càmera sense oxigen (anaeròbica) on té lloc la fermentació de la cel·lulosa i altres sucres complexos.

Sistema digestiu d’un tèrmit de casta obrera; la part verda correspon a la part posterior sense oxigen. Figura procedent de l’article: Brune, A. (2014). Symbiotic digestion of lignocellulose in termite guts. Nature Reviews Microbiology, 12(3), 168-180.

En els tèrmits, aquesta càmera conté procariotes anaeròbics facultatius (poden desenvolupar-se amb o sense oxigen) o obligats (només es desenvolupen en absència d’oxigen), com espiroquetes i metanògens, que participen en la digestió; a més a més, en certes termites obreres, aquesta càmera també conté protozous que participen en la digestió de la cel·lulosa de la fusta (heu vist mai un moble foradat per tèrmits?).

A diferència d’altres endosimbionts, els microorganismes del tracte digestiu es transmeten horitzontalment entre organismes; és a dir, els insectes no neixen amb ells, sinó que han d’adquirir-los al llarg de la seva vida. En el cas dels tèrmits, la seva adquisició té lloc mitjançant un procés conegut com a trofolàxia: les obreres, que són les úniques que s’alimenten per si mateixes, digereixen i transfereixen l’aliment (i els seus microorganismes) a la resta de membres de la colònia mitjançant el contacte dels seus aparells bucals.

Trofolàxia en tèrmits. Imatge de Shutterstock.

A més a més, els microorganismes són eliminats durant la muda, de manera que la trofolàxia els permet recuperar-los.

Endoparàsits

Els paràsits que viuen dins d’un organisme es coneixen com endoparàsits i, igual que els microorganismes intestinals, es transmeten horitzontalment d’uns insectes als altres.

Hi ha moltes més relacions entre insectes i endoparàsits pluricel·lulars que amb microorganismes, essent els pluricel·lulars més nocius en termes generals; és el cas dels parasitoids (dels quals ja vam parlar en aquesta entrada) i els nematodes (capaços de transmetre bacteris mortals per l’insecte).

La relació endoparasítica més rellevant entre insectes i microorganismes, i l’única que tractem aquí, són els vectors: l’insecte (o vector) actua de contenidor i transport provisional del paràsit fins el moment que aquest arriba al seu hoste definitiu. Els paràsits transportats solen ser protozous nocius per a vertebrats, com Trypanosoma (malaltia de Chagas), Leishmania (leismaniosi) o Plasmodium (malària). En general, l’insecte no pateix cap dany, així que en realitat seria més convenient parlar de comensalisme i no de parasitisme.

El mosquit Anopheles és vector del protozou causant de la malària, Plasmodium. Imatge de domini públic.

Simbiosi extracel·lular i intracel·lular

A diferència dels microorganismes intestinals, els endosimbionts extra i intracel·lulars es transmeten verticalment generació rere generació; és a dir, l’insecte neix amb ells, els “hereta”. Es tracta de relacions molt més estretes.

• Endosimbionts extracel·lulars

Els microorganismes extracel·lulars poden ser tant procariotes com eucariotes i trobar-se en diferents parts del cos de l’insecte (fins i tot a l’intestí juntament amb els microorganismes intestinals). En qualsevol cas, mai penetren dins les cèl·lules. Això no treu que algunes espècies puguin trobar-se tant fora com dins de les cèl·lules.

Atès que molts microorganismes extracel·lulars poden ser alhora intracel·lulars, es considera que podrien trobar-se, a nivell evolutiu, en una transició entre els microorganismes intestinals i els endosimbionts intracel·lulars.

Un cas interessant d’endosimbiosi extracel·lular té lloc en algunes espècies de pugons de la tribu Cerataphidini. En general, els pugons o àfids presenten un bacteri endosimbiont intracel·lular (Buchnera), però en aquestes espècies aquest bacteri és substituït per un fong unicel·lular similar als llevats que viu fora de les cèl·lules (YLS, de l’anglès “yeast-like symbiont” ), el qual se situa tant en les cavitats entre els òrgans (hemocel) per on circula l’hemolimfa com en diferents cossos grassos. Igual que Buchnera a la resta de pugons, els YLS tindrien un paper clau en la dieta de l’insecte en participar en la producció de certs nutrients essencials.

Ceratovacuna nekoashi (Cerataphidini). Link (CC 2.5)

Es creu que aquests microorganismes similars a llevats o YLS haurien evolucionat a partir d’un fong entomopatogen (és a dir, nociu pels insectes) el llinatge del qual hauria donat lloc, posteriorment, a organismes endosimbionts beneficiosos.

• Endosimbionts intracel·lulars

Es considera que almenys un 70% d’insectes presenta microorganismes endosimbionts dins les seves cèl·lules. Hi ha dos tipus d’endosimbionts intracel·lulars:

Endosimbionts dins de micetòcits o cossos de Blochmann

Els bacteriòcits o micetòcits són un tipus especialitzat de cèl·lules adiposes que es troben en alguns grups d’insectes i que contenen microorganismes endosimbionts. Aquestes cèl·lules són transmeses a la descendència i usualment s’agrupen en forma d’òrgans coneguts com micetomes o bacteriomes.

Els cossos de Blochman, o el que és el mateix, els endosimbionts que es troben dins dels micetòcits, són propis de tres grups d’insectes: Blattaria (paneroles), diferents grups d’heteròpters dins de l’antic grup dels Homoptera (cícades, psílids, àfids, etc.) i Curculionidae (escarabats curculiònids). La relació d’aquests endosimbionts amb les cèl·lules sol ser tan estreta que podrien confondre’s amb orgànuls cel·lulars (més o menys com el que ocorre amb mitocondris i cloroplasts).

Buchnera aphidicola dins d’un micetòcit o bacteriòcit del pugó Acyrthosiphon pisum. L’element central és el nucli del bacteriòcit. Les cèl·lules de Buchnera són rodones i estan empaquetades dins del citoplasma del bacteriòcit. Imatge de J. White y N. Moran, University of Arizona (CC 2.5).

El cas més estudiat és el de Buchnera en els pugons o àfids. Aquest bacteri intracel·lular recicla l’àcid úric i altres restes nitrogenades del pugó per produir l’aminoàcid glutamina, el qual empra com a base per produir altres aminoàcids essencials necessaris pel creixement de l’insecte. Es creu que també produiria la vitamina B2 (riboflavina). Això explicaria el gran èxit evolutiu dels pugons i la seva elevada taxa de reproducció tot i tenir una dieta rica en carbohidrats (procedent de la saba de les plantes) però molt pobre en compostos nitrogenats.

S’ha comprovat que quan hi ha escassetat de nutrients, el nombre de Buchnera disminueix, fet que suggereix que els pugons s’alimenten d’ells en situacions límit. Així doncs, la relació és molt més beneficiosa pel pugó que per l’endosimbiont.

Endosimbionts inquilins

En aquest cas, la relació entre microorganismes inquilins i insectes no és beneficiosa per a tots dos organismes (mutualista), doncs l’inquilí altera l’insecte per sortir-ne beneficiat.

Els endosimbionts inquilins afecten la proporció de mascles i femelles, així com la seva capacitat reproductiva. Molts dels microorganismes inquilins que viuen dins el citoplasma de les cèl·lules es transmeten a la següent generació a través dels òvuls, motiu pel qual necessiten que hi hagi una major proporció de femelles d’insectes per assegurar la seva perpetuïtat. Per tal d’alterar aquesta proporció, recorren a diferents mètodes: mort dels mascles, inducció de la partenogènesi, feminització o incompatibilitat citoplasmàtica. Per aconseguir-ho, solen induir canvis a nivell genètic.

Un dels inquilins més estudiats és Wolbachia, un bacteri intracel·lular capaç de causar un biaix en la proporció de sexes mitjançant gairebé totes les vies abans esmentades.

Fenotips derivats d’insectes infectats per Wolbachia. Figura procedent de l’article: Werren, J. H., Baldo, L. & Clark, M. E. 2008. Wolbachia: master manipulators of invertebrate biology. Nature Reviews Microbiology, 6(10), 741-751.

.          .          .

Coneixes més relacions entre microorganismes i insectes? Deixa’ns les teves aportacions als comentaris.

Referències

• Bourtzis K.,  Miller T. A. (2003). Insect Symbiosis. CRC Press.
• Douglas, A.E. (1998). Nutritional interactions in insect-microbial symbioses: Aphids and their symbiotic bacteria Buchnera. Annual Review of Entomology, 43: 17–38.
• Vega F.E., Blackwell M. (2005). Insect-Fungal Associations: Ecology and Evolution. Oxford University Press, USA.

La imatge de portada és un muntatge realitzat per l’autora d’aquest article a partir de dues imatges: 1) vector de bacteri (per Flaticon de www.flaticon.com) i 2) vector de tèrmit (extret de www.allstatepest.com.au).

El regal microbiològic de la mare

Les nostres mares sempre miren pel nostre bé, ens donen tot allò que tenen i més, però sabies que durant l’embaràs també ens aporten els microorganismes necessaris per un bon desenvolupament fetal? En aquesta ocasió parlarem d’aquests petits regals que ajuden a millorar i desenvolupar el nostre sistema immune. 

GESTACIÓ EN CONDICIONS ESTÈRILS: VERITAT O MITE?

Durant els darrers segles s’ha cregut que l’úter i el sac amniòtic on trobem el fetus són espais estèrils sense cap tipus de presència microbiològica. El simple fet de trobar algun  microorganisme estava associat a alguna patologia o perill per l’infant. Així, doncs, es creia que durant les 40 setmanes de gestació el fetus es trobava en un lloc estèril i que durant el part entrava en contacte per primera vegada amb algun tipus de bacteri.

Actualment, gràcies als avanços tecnològics i genètics, s’ha observat que aquest pensament era un mite. Els nens estan en contacte amb bacteris durant tota la gestació. Generalment es tracta de bacteris no patògens que són transmesos per la mare durant l’embaràs i el part.

Ecografia de la placenta. En vermell destaquen les comunitats bacterianes, mentre que de blau destaquen les venes. (Imatge de Wolfgang Moroder)

Aquesta transmissió microbiològica maternal es un fenomen molt estès al regne animal, com per exemple als porífers, mol·luscs, artròpodes i cordats. L’aparició d’aquest fenomen a diferents fílums animals i la facilitat que tenen aquests microorganismes per arribar a l’infant, són proves que demostren que aquesta transmissió és un procés antic i que suposa un avantatge evolutiu pels organismes. 

Exemples d’organismes en els quals s’ha estudiat la transmissió bacteriana maternal. A) Pugó pèsol (Acyrothosiphon pisum). b) Gallina domèstica (Gallus gallus domesticus). c) Salmó roig (Oncorhynchus nerka) i d) Tortuga de riu Podocnemis expansa. (Imatge: Lisa Funkhouser).

LES  VIES DE TRANSMISSIÓ

Existeixen diferents vies de transmissió per les quals els bacteris arriben a l’infant. Per exemple, el primer contacte del fetus amb el seu futur microbioma es dóna a través dels bacteris que hi ha a la placenta. A continuació, durant el part, es transfereixen més bacteris a través del canal vaginal i el primer contacte amb la pell materna. Finalment, la darrera via que trobem és la lactància materna.

Diferents vies de transmissió microbiològica maternal. (Imatge modificada de Lisa Funkhouser)

BACTERIS DE LA PLACENTA

Fa relativament poc que es coneix la presència de comunitats bacterianes a aquest òrgan. Tot i així, s’ha de destacar que es tracta d’un microbioma petit, és a dir, no és molt abundant. Generalment, es tracta de microorganismes no patògens, però la seva variació podria estar relacionada amb alteracions comunes de l’embaràs, com per exemple els parts prematurs.

En un principi es creia que aquestes comunitats bacterianes estarien relacionades amb la microbiota vaginal de la mare, però s’ha observat que els bacteris que trobem a la placenta són més semblants als bacteris de la microbiota bucal materna. Segons les investigacions, els bacteris bucals arribarien al fetus pel torrent sanguini. Així, doncs, una bona salut bucodental és essencial pel bon desenvolupament de l’infant.

Al següent esquema es representen els principals fílums bacterians que s’han identificat a la placenta humana.

Principals fílums bacterians que es troben a la placenta humana. (Imatge d’elaboració pròpia).

TRANSMISSIÓ DURANT EL PART

Com ja sabem, durant el part es produeix una important transmissió de bacteris. La majoria d’aquests estan relacionats amb la microbiota vaginal i fecal de la mare. Durant la gestació, el microbioma vaginal de la mare va canviant i es fa menys divers, afavorint les comunitats de Lactobacillus sp.

Tot i això, cal destacar que aquesta transmissió varia en funció del tipus de part, és a dir, els nadons nascuts per part vaginal presenten una microbiota similar a la de la vagina de la mare (molt rica en Lactobacillus sp., Prevotella sp., Bacteroides i Bifidobacterium sp.), mentre que els nadons que neixen per cesària presenten unes comunitats bacterianes semblants a la microbiota de la pell materna, rica en Clostridium sp., Staphylococcus sp., Propionobacterium sp. i Corynebacterium sp. 

Variació de la microbiota neonatal en funció del tipus de part. Elaboració pròpia.

CONTACTE PELL AMB PELL

Com en els altres casos, el contacte pell amb pell produeix una gran transmissió de microorganismes entre els dos. En aquest cas, pot ser a través del part i pel contacte amb la pell exterior de la seva mare.

Alguns bacteris que s’adquireixen tot just al néixer i es troben normalment a la pell dels humans adults són Staphylococcus sp., Corynebacterium sp. i Propionobacterium sp. 

LLET MATERNA AMB BACTERIS

Un altre gran mite sobre l’esterilitat durant l’embaràs era el de la llet materna. Fins fa poc temps relativament, es pensava que la llet materna era estèril i que els bacteris que es trobaven a aquest fluid eren causats per una contaminació creuada per la microbiota de la pell de la mare. Actualment, i gràcies al descobriment de determinats bacteris anaeròbics, s’ha arribat a la conclusió que la mare aporta determinats microorganismes a través de la llet.

Existeix una gran varietat de microorganismes a la llet materna i generalment, aquests varien en funció del tipus d’alimentació i origen de les mares (es poden veure les diferencies en abundància de microorganismes de diferents mares al gràfic següent). Tot i això, s’ha observat que durant els primers mesos de lactància, la llet materna és rica en Staphylococcus sp., Streptococcus sp.i Lactococcus sp; mentre que a partir dels sis mesos de lactància, la llet és rica en microorganismes típics de la microbiota bucal com Veillonella sp., Leptotrichia sp. i Prevotella sp.

Diferències d’abundància de les diferents espècies bacterianes presents a la llet materna. (Imatge: Katherin Hunt)

Així, doncs, cal esperar que els nadons alimentats amb llet materna presentin una microbiota intestinal i fecal diferent d’aquells que són alimentats amb llet artificial. Aquests bacteris afavoreixen al nadó i el protegeixen front diarrees, malalties respiratòries i redueixen el risc de patir obesitat. Cal remarcar que això no significa que un nen alimentat amb llet artificial estigui pitjor alimentat o sa que un nen alimentat amb llet materna, ja que molts bacteris els poden adquirir per altres vies.

·

Totes aquestes transmissions bacterianes maternals permeten al nadó iniciar el procés de maduració del seu sistema immunitari i al bon desenvolupament de la seva microbiota intestinal. Ja ho diuen ja, que lesmares tenen molta cura de tots nosaltres, mare només n’hi ha una! 

 

REFERÈNCIES

• Hunt, Katherin. Characterization of the diversity and temporal stability of bacterial communities in human milk. (Article en anglès)
• Grens, Kerry. The maternal Microbiome. (Article en anglès)
• Funkhouser, Lisa. Mom knows best: the universality of maternal microbial transmission. (Article en anglès)
• Imagen de Portada: Joanna Noguera Riobueno.

Microbiologia bàsica (II): Bacteris de mil i una forma

Imagina’t un bacteri. Quina imatge has pensat? Potser has pensat amb un bacteri de forma allargada, com E.coli? O potser has pensat en una esfera petita? Durant anys, hem associat la forma dels bacteris a diverses morfologies bàsiques, però a la natura podem trobar moltes formes més. Endavant, descobreix les més interessants amb nosaltres!

MIL I UNA FORMA BACTERIANES

Com bé sabem, els microorganismes representen un grup molt gran d’organismes invisibles a l’ull humà. Al darrer capítol sobre microbiologia bàsica parlarem de la mida d’aquests éssers i avui, parlarem sobre les diferents formes morfològiques que podem trobar al grup dels Bacteris (incloent-hi les Arqueas o bacteris extremòfils).

Generalment, quan iniciem el viatge pel món bacterià se’ns presenten tres morfologies bàsiques: el coc (de forma esfèrica), el bacil (en forma de bastó) i l’espiril (en espiral), i també les seves agregacions. Aquestes darreres es formen mitjançant la unió de les cèl·lules filles després de la divisió, és a dir, no s’arriben a separar. Per exemple, hi ha espècies que formen agregacions de dos cocs (diplococs), altres formen llargues cadenes (com seria el cas dels Streptococcus sp.), altres es disposen en agrupacions cúbiques tridimensionals (com Sarcina sp.) o formen estructures irregulars i en totes les dimensions, com si fossin un grell de raïm (com ara Stahpylococcus sp.).

Diferents agrupacions de cocs. (Imatge: Aula virtual).

Respecte als bacils, podem trobar també diferents agrupacions com els diplobacils o els estreptobacils (cadenes de bacils com per exemple Bacillus cereus). A part, es poden identificar variacions dels bacils més simples: n’hi ha de curs i redons (coneguts com a cocobacils, per exemple Yersinia pestis), n’hi ha de pleomòrfics (és a dir, tenen una o més formes en funció de la fase del cicle cel·lular), n’hi ha d’acabats en punta (com Epulopiscium fishelsoni), corbats o torts.

Diferents agrupacions i variacions dels bacils (imatge: Aula Virtual)

Finalment, trobem les formes tortes o en forma d’espiral com seria el cas dels vibrios ( en forma de coma, com Vibrio cholerae), els espirils (com Rhodospirillium rubrum) i les espiroquetes (en forma de llevataps, com  Spirochaeta stenostrepta).

Formes espiralades o helocoïdals (Imatge: Aula Virtual).

Però, per què si existeixen més morfologies a la natura, només ens parlen d’aquestes més bàsiques?

Cal recordar que durant gairebé tota la història, la microbiologia ha estat una disciplina mèdica i aquestes formes bàsiques són les que trobem majoritàriament als bacteris patògens. Actualment, com la microbiologia estudia ambients més amplis s’ha observat que hi ha una gran varietat de formes diferents, algunes molt més complexes del que es pensava. Al gràfic filogenètic següent, podem observar les formes que presenten els diferents fílums bacterians.

Diferents morfologies que podem trobar als fílums bacterians (Imatge: David T. Kysela)

ALGUNS EXEMPLES

Hi ha bacteris individuals que presenten estructures molt curioses, com per exemple elongacions estretes conegudes tècnicament com a prosteques. Caulobacter sp. i Hyphomicrobium sp. són exemples molt clars d’aquest tipus de cèl·lules. Aquestes estructures permeten als organismes aferrar-se a una superfície sòlida. En altres casos, també podem trobar bacteris amb  espines o puntes.

Bacteri de l’espècie Hyphomicrobium sp. amb la seva característica elongació o prosteca. (Imatge: Holm Niels)

Altres bacteris presenten formes més peculiars i variades. Per exemple, els bacteris halòfils (que poden sobreviure en ambients amb elevades concentracions salines) de les espècies Stella sp. i Haloquadratum sp. formen agregacions molt característiques: la primera ho fa en forma d’estrella i la segona en forma de rectangle.

Forma característica de Stella vacuolata (a) i Haloquadratum walsbyi (b). (Imatge: Aula virtual).

Haloarcula japonica és un bacteri halòfil (com les anteriors) que presenta una morfologia curiosa: és triangular. Per altra banda, tenim a Pyrodictium abyssi amb la seva forma característica: forma de i grega.

a) Haloarcula japonica (Imatge: Nite) b) Pyrodictium abyssi (Imatge: Benjamin Cummings)

En el cas de les agrupacions, també trobem alguns exemples molt curiosos. Per exemple, existeixen bacteris filamentosos que formen llargues cadenes d’individus, com seria el cas del fílum bacterià Chloroflexi, on trobem els bacteris verds del sofre Chloroflexus sp. Una altra espècie que té una morfologia molt interessant és Simonsiella muelleri. Aquestes estructures es formen per la unió vertical dels bacils.

a) Microfotografia d’una colònia de Chloroflexus sp. (Imatge: JGI Genome Portal). b) Microfotografia d’escàner de Simonsiella sp. (Imatge: J. Pangborn)

Com ja hem dit abans, hi ha certs casos de bacteris que no presenten una forma definida o aquesta pot variar al llarg del cicle cel·lular. En aquest cas parlem de bacteris pleomòrfiques. Aquesta característica la presenten bacteris de l’espècie Corynebacterium sp. i Rhizobium sp.

EL GENOMA MANA

La morfologia que presenten els diferents bacteris ve determinada pel genoma de l’individu. Aquest fet, juntament amb la gran diversitat de formes descobertes, suggereixen que aquesta característica té un determinat valor adaptatiu i que s’ha produït com a resultat de la pressió per diverses forces selectives.

En general, les característiques morfològiques s’atribueixen a factors ambientals com per exemple la limitació dels nutrients, la reproducció, la dispersió, difusió de nutrients, evasió d’un depredador o detecció d’un hostatger. Per exemple en el cas dels bacteris filamentosos, aquests presenten una millor capacitat de surar al medi líquid i són més difícils de digerir per protozous. Els bacteris helicoïdals o espirals tenen una millor mobilitat en ambients viscosos, mentre que un bacteri de forma esfèrica és ideal per la difusió dels nutrients, ja que augmenta la relació superfície/volum.

Així, doncs, una mateixa morfologia pot aparèixer per convergència a llinatges bacterians diferents (és a dir, que no tenen un avantpassat comú). Per tant, això significa que la forma ha estat adquirida com a adaptació a unes condicions determinades de l’ambient. Per exemple, abans els bacteris que presenten prosteca s’agrupaven a dins un mateix gènere conegut com a Prosthecomicrobium, però gràcies als estudis genètics es va separar en tres gèneres diferents. Van observar també, que aquests nous gèneres tenien més semblances amb gèneres de bacteris fora prosteca que entre ells. Això significava que no estaven relacionats filogenèticament, però que els tres havien adquirit la prosteca de forma independent com a resultat d’una adaptació al medi.

També hi ha grups bacterians que comparteixen una mateixa característica morfològica per què l’han heretada d’un avantpassat comú i la mantenen per què és útil en les condicions ambientals que viuen.

·

A mesura que augmentin els coneixements sobre el món microbià, anirem descobrint més i més curiositats sobre aquests fascinants éssers. No us ho podeu perdre!

REFERÈNCIES

• Brock, Biología de los Microorganismos. Madigan. Ed. Pearson. (Castellà)
• Introducción a la Microbiología. Tortora. Ed. Panamericana. (Disponible en castellà aquí)
• David, T. Kysela. Diversity takes shape: understanding the mechanistic and adaptative basis of bacterial morphology. PLOS Biology. (Article en anglès aquí).
• Kevin D. Young. The Selective Value of Bacterial Shape. Microbiology and Molecular Biology Reviews. (Article en anglès aquí).
• Kevin D. Young. Bacterial morphology: why have different shapes? Current Opinion in Microbiology. (Article en anglès aquí).
• Imatge de portada: Escuela y Ciencia. 

Per què canvien de color els llacs?

Una de les notícies més comentades dels Jocs olímpics que tingueren lloc el passat Agost a Rio de Janeiro va ser la d’una piscina que va canviar de color. Tothom va comentar aquella sorprenent imatge, però cal destacar que aquest fenomen té lloc a la natura més vegades del que ens pensem: al llac Urmía (Iran), al Llac de Clicos a Lanzarote, etc. Anem, doncs, a descobrir per què canvien de color les aigües. 

QUE ES LA EUTROFITZACIÓ?

El 10 d’agost del 2016, durant els jocs olímpics de Rio de Janeiro, els mitjans de comunicació es fan ressò d’un fet sorprenent: una de les piscines ha canviat de color! L’aigua s’havia tornat de color verd, però, per què?

Piscina dels Jocs Olímpics de Rio del 2016. L’aigua va tornar de color verd per la proliferació massiva d’algues microscòpiques. (Imatge: Verne. El País).

Els canvis de coloració de l’aigua són una de les característiques del procés d’eutrofització, un fenomen molt comú a la natura. Es tracta d’un augment en la densitat poblacional dels productors primaris de l’aigua per un augment exponencial de la concentració de nutrients. En poques paraules, és un augment del nombre d’organismes que viuen a l’aigua a causa d’un increment en la quantitat d’aliments. Aquesta proliferació d’organismes condicionen les característiques pròpies de l’aigua.

Aquest fenomen es pot donar en qualsevol tipus d’aigua, però es dóna amb major facilitat als cossos d’aigua tancats, com ara llacs, piscines, etc.

Exemple del procés d’eutrofització a un llac. (Imatge: Radio wtcv)

El nitrogen i el fòsfor són els principals nutrients relacionats amb el procés d’eutrofització, ja que normalment actuen com a factors limitants. A l’aigua dolça exerceix una major pressió la concentració de fòsfor, mentre que a l’aigua salada el nitrogen és el principal factor limitant. Un augment en la concentració d’algun d’aquests nutrients inicia el procés d’eutrofització amb la proliferació de productors primaris. Aquests darrers són  majoritàriament fitoplàncton (microalgues), bacteris i en certs casos, arqueas.

En aquests cossos d’aigua tancats, l’equilibri  natural del cicle de nutrients es pertorba amb molta facilitat. Quan es produeix la inserció de nutrients de forma excessiva, tota l’estructura tròfica pot canviar radicalment. En aquests casos, l’aigua es sobrefertilitza i els organismes fotosintètics creixen de forma descontrolada, sobretot les algues i els microorganismes.

Diagrama bàsic del procés d’eutrofització (Imatge: Verdezona)

Els principals organismes que protagonitzen aquestes explosions demogràfiques són microalgues (fitoplàncton) i bacteris fotosintètics, però quan el canvi és tan dràstic que canvia molt significativament les condicions fisicoquímiques de l’aigua poden arribar a proliferar les arqueas. Un exemple molt interessant és el del Llac Urmía a Iran. Aquest llac sofreix un augment dràstic de la concentració salina provocant un increment en la densitat poblacional d’Halobacteris, un grup d’arqueas halòfiles. Aquest fet es veu agreujat per la poca pluja i l’extracció continuada d’aigua per a l’agricultura local.  El llac adquireix un color vermell sang per la presència d’un pigment fotosintètic especial conegut com a bacteriorodopsina.

Imatge de satèl·lit del Llac Urmía (Iran). El canvi dràstic de color es deu a l’explosió demogràfica de bacteris de la familia Halobacteriaceae. (Imatge: La Vanguardia)

El cas de la piscina verda dels Jocs Olímpics, ens mostra les etapes inicials d’un increment exponencial de les algues. Podem observar etapes més avançades a alguns llacs del món, com per exemple el Llac de Clicos a Lanzarote, on l’aigua és completament verda. En aquest llac les condicions afavoreixen el creixement en massa d’algues de l’espècie Ruppia maritima.

Fotografia del Llac de Clicos a Lanzarote, es pot apreciar el color verd degut a la proliferació d’algues. (Imatge: National Geographic)

EUTROFITZACIÓ NATURAL I ANTROPOGÈNICA

El procés natural d’eutrofització està molt ben regulat, ja que la natura tendeix a tenir un equilibri entre les entrades i sortides de nutrients d’un ecosistema. Els cossos d’aigua tancats presenten tres estats tròfics diferents al llarg del temps: l’oligotròfic, el mesotròfic i l’eutròfic. Aquests varien en les condicions químiques i biològiques de l’aigua i marquen de certa manera l’edat dels cossos d’aigua, és a dir, un llac jove es presentarà com oligotròfic, mentre que un de més antic serà eutròfic. A la taula següent trobem algunes diferències entre els diferents estats:

Taula comparativa entre els diferents estats tròfics dels cossos d’aigua tancats. Elaboració pròpia.

Els ecosistemes naturals presenten la capacitat de retornar al seu estat normal quan es produeix una pertorbació brusca (com per exemple un tifó). Tot i així, amb el pas del temps, els llacs sofreixen l’eutrofització i acumulen sediments al fons, disminueixen així el seu cabal d’aigua i es transformen en un pantà. Aquest procés natural, però, requereix centenars o milers d’anys per produir-se.

Encara que es tracta d’un procés natural, l’home intervé agreujant i accelerant les diferents etapes. Aquest tipus d’eutrofització es coneix com a eutrofització antropogènica. És provocat per la contaminació dels cossos d’aigua per abocament d’aigües residuals, fertilitzants, contaminació atmosfèrica i altres formes de contaminació. En aquest cas l’ecosistema no es pot regular per ell mateix i el procés d’eutrofització succeeix de forma més ràpida: només es necessiten dècades per arribar a la fase final.

Comparació dels processos d’eutrofització natural i antropogènica (Imagen: New Brunswick, Canadá).

LA MARCA DE LA MORT

Tot i que pareixi que l’aportació extra de nutrients ha de ser un factor positiu per l’ecosistema, el procés d’eutrofització marca l’inici de la mort de l’ecosistema. Però, per què?

Un augment en la concentració de nutrients implica un augment en la densitat poblacional dels productors primaris, que creixen descontroladament a la superfície de l’aigua. Això provoca l’aparició d’una barrera biològica que no deixa passar la llum solar. A la superfície la concentració d’oxigen és bona, mentre que a les capes inferiors a aquesta barrera no es pot produir la fotosíntesis i per tant, els processos aeròbics com la respiració fan que disminueixi dràsticament la concentració d’oxigen. Això provoca que el medi es torni anoxigènic (sense oxigen), fet que no toleren gaire bé les espècies que abans vivien tranquil·lament al llac.

Al diagrama podem observar com la capa de productors primaris provoca un augment en les concentracions de CO2 (producte de procesos aeròbics) i disminueix la concentració d’oxigen. (Imatgemodificada de SPE International)

Per altra banda, l’elevada activitat biològica implica una disminució dels soluts de l’aigua, provocant un canvi de pH i salinitat d’aquesta massa d’aigua. Aquest fet afavoreix la proliferació d’espècies tolerants a aquestes noves condicions i la desaparició de les espècies autòctones. A més, certes algues i cianobacteris excreten toxines com a producte del seu metabolisme. Alguns d’aquests són Anabaena sp. Cylindospermopsis sp, Microcystis sp i Oscillatoria sp. Tots aquests canvis afecten  la diversitat de l’ecosistema, que disminueix dràsticament.

Comparació de la diversitat d’un cos d’aigua oligotròfic i un eutròfic (Imatge: Madrid+d)

Finalment, els restes orgànics d’aquests organismes, s’acumulen al fons de la massa d’aigua i augmenten la capa de sediments. Amb el temps, la capa d’aigua s’haurà reduït i convertit l’ecosistema en un pantà.

·

Com en la majoria dels casos l’acció d el’home agreuja les conseqüències d’aquest procés natural. S’ha d’evitar tot tipus de contaminació per no perdre de mica en mica tota la diversitat que ens envolta. 

REFERÈNCIES

• Eutrofización. Nestor Mazzeo. (PDF, en castellà)
• Apunts personals i generals del grau de Biologia UIB.

• Eutrophication: Causes, Consequences, and Controls in Aquatic Ecosystems. Michael Chislock. Disponible aquí en anglès.

• Imatge de Portada: Axena.

Micro-okupes a casa

Segurament has pensat algun cop “Que bé s’està sol a casa”. Doncs, si es així, ens sap greu dir-te que t’estaves equivocant. A casa existeixen una gran quantitat de micro-ecosistemes perfectes per la proliferació d’una gran diversitat de microorganismes. Aquestes comunitats són les responsables de les olors, degradació de certs materials i contaminació. Vols conèixer una mica més els teus microcompanys de pis? Endavant. 

MICRO-OKUPES A LES NOSTRES LLARS

Passem un 90% del nostre temps a llocs tancats, com per exemple oficines, cases, escoles, etc. Aquests llocs, així com la resta del planeta, presenta unes condiciones adequades per la proliferació de diverses espècies microscòpiques com ara bacteris, fongs i determinades espècies d’artròpodes. Aquestes comunitats formen el que coneixem com microbioma de les nostres llars.

Microfotografia d’escàner electrònic d’un bri d’un raspall de dents utilitzat on s’acumulen les comunitats bacterianes. (Imatge: Science photo library)

Les diferents relacions que podem establir amb aquestes comunitats poden condicionar directament a la nostra salut. Dins les nostres llars podem trobar microorganismes beneficiosos, microorganismes indiferents (és a dir, que no ens produeixen cap efecte) i microorganismes patògens (com Staphylococcus aureus resistent a antibiòtic) o al·lergogens, com per exemple els àcars. Tranquils! Cal destacar que aquests patògens no presenten un percentatge important i per tant, no suposen cap risc per la nostra salut.

BACTERIS

Aquests són els  microorganismes més abundants que podem trobar a casa. Es troben repartits per tots els racons imaginables i presenten una gran diversitat genètica. Per exemple, a la pols es calcula que hi pot haver fins a 7000 espècies de bacteris diferents. Al següent gràfic, ens presenten una llarga llista de taxons bacterians que colonitzen cada racó de casa, com per exemple la tapa del vàter, la cuina o els nostres llits.

Diferents taxons bacterians que trobem en llocs variats de les nostres cases. (Imatge: G.E. Flores)

FONGS

Es calcula que a una casa normal es poden trobar fins a 2000 tipus diferents de fongs. També es troben repartits arreu de la casa com per exemple al menjar, cuina, parets o llocs oblidats per la neteja com la pols acumulada sobre les portes. Entre aquesta gran quantitat de fongs podem destacar la presència d’ Aspergillus, Penicillium i Fusarium (fongs molt comuns a l’ambient). També podem trobar espècies com Stereum, Tremetes o Phlebia (fongs encarregats de la degradació de la fusta) o fongs relacionats amb els humans, com seria el cas de Candida.

Floridura de les parets de la casa per Strachybrotrys sp. (Imagen: Mycleaningproduct.com) o a les fruites com per exemple Penicillium sp. (imagen: wisegeek).

ÀCARS

Aquests organismes representen al grup d’artròpodes microscòpics més abundants de les nostres llars. Normalment habiten a la pols, a les superfícies rugoses com teles, matalassos i coixins on s’alimenten de pell morta d’humans i animals. Normalment trobem les espècies Dermatophagoides pteronyssus i Dermatophagoides farinae (coneguts vulgarment com àcars de la pols). Tot i això, també podem trobar en menor quantitat l’espècie Demodex folliculorum. Aquest àcar habita als fol·licles pilosos de la nostra cara i s’alimenta de pell morta. Normalment es desprenen de la pell mentre dormim.

Àcar de la pols D. pteronyssinus (imatge: Göran Malmberg) i àcar dels fol·licles pilosos Demodex folliculorum (Imagen: BBC)

BIOGEOGRAFIA I PRINCIPALS FONTS D’EMISSIÓ

La distribució geogràfica de les comunitats microscòpiques de casa i els factors ambientals que la condicionen són poc coneguts. Per aquest motiu, al llarg d’aquests darrers anys els estudis sobre el microbioma de les nostres llars han augmentat significativament.

Aquesta gran diversitat microbiana canvia en funció de la localització, és a dir, no trobarem els mateixos microorganismes al llit que al vàter. Per exemple, a la nostra cuina podem trobar diferents bacteris depenent del lloc que analitzem. A la imatge inferior, ens mostren com al foc de la cuina trobem una major quantitat de Salmonella sp. que Clostridium sp.

Diferència de distribució geogràfica en funció de l’espècie bacteriana analitzada (Imatge: G.E. Flores)

Tot i això, trobem una certa tendència en aquesta distribució geogràfica, és a dir, els microorganismes que habiten en certes zones són semblants a les que trobem a altres ones relacionades. Al dendrograma següent se’ns explica de manera gràfica aquest darrer punt. Per exemple, podem veure com als coixins (pillowcase en anglès) trobem microorganismes molt semblants a les que trobem al vàter (contacte amb la pell humana) mentre que són totalment diferents de les que trobem a la fusta de tallar de les nostres cuines.

Dendrograma de similitut entre les comunitats bacterianes que trobem a les nostres cases. (Imatge: Robert, D. Dunn).

Però, per què existeix aquesta distribució geogràfica?

Les diferents fonts d’emissió de microorganismes són les causants d’aquesta variació geogràfica. En funció d’aquesta font trobarem a un determinat lloc unes espècies o unes altres. Òbviament la font més gran d’emissió de microorganismes són els éssers humans. Com bé sabem, al nostre cos portem milions i milions de bacteris i altres microorganismes que s’escampen per l’ambient (ja sigui per la nostra activitat respiratòria, per contacte directe o descamació de la pell). Cada humà deixa una petjada microbiana (fingerprint en anglès) específica a aquells llocs on es troba.

Principals fonts d’emissió batceriania de les nostres llars. Com podem veure, la font més gran d’emissió són els pròpis humans (Imatge: G. E. Flores)

Podem observar que en certs llocs es troben microorganismes relacionats amb els nostres excrements. Si no rentem les nostres mans després d’anar al bany, segurament anem escampant bacteris fecals per tot arreu. No només és cosa dels bruts això, ja que tots escampem aquests bacteris de forma inconscient. Per exemple, si estirem la cadena del vàter amb la tapa oberta, es produeix una expansió en aerosol de bacteris fecals de fins a dos metres de distància, això implica que arriben al nostre raspall de dents o al sabó de mans.

Per altra banda, la diversitat microbiana està molt condicionada pel nombre i tipus d’ocupants de la casa, és a dir, no hi haurà les mateixes espècies  a una casa amb dos ocupants que a la casa d’una família de set persones. A més, s’ha observat que no trobem els mateixos microorganismes a cases on hi ha una major proporció de dones que a les que hi ha major proporció d’homes. Generalment, els homes alliberen una major quantitat de  microorganismes a l’ambient. 

Gràfic de la influència del gènere dels ocupants a la diversitat microbiana de les cases. (Imatge: Albert Barberán).

Un altre factor molt important que condiciona aquesta diversitat microbiana és la presència d’animals a casa. Si tenim gossos o gats, segurament conviurem amb comunitats totalment diferents de les que trobem en cases sense animals. En aquests casos, trobem normalment microorganismes relacionats amb els excrements, pell i saliva dels nostres animals.

Diferències d’abundància de determinades espècies bacterianes per la presència d’animals domèstics (Imatge: Albert barberán).

Tot i que les principals fonts d’emissió són els ocupants d’aquestes cases, el microbioma de les nostres llars està relacionat estretament amb les espècies microbianes que trobem a l’exterior. En el cas dels fongs aquesta relació és més pronunciada que en el cas dels bacteris. Cal destacar, però, que hi ha una major quantitat d’espècies diferents de dins les nostres llars que a l’exterior.

Comparació de la riquesa microbiana entre l’interior i exterior de les nostres llars. (Imagen: Albert barberán)

·

Ja ho diven “com a casa no s’està enlloc”. Efectivament, cada casa és un univers únic i específic de comunitats microscòpiques. No n’hi ha dos iguals! 

REFERÈNCIES

• Robert, D. Dunn. Home life: Factors Structuring the bacterial diversity found within and between homes. (Article en anglès)
• Albert Barberán. The ecology of microscopic life in household dust.  (Article en anglès)
• Gilberto E. Flores. Microbial biogeography of public restroom surfaces. (Article en anglès)
• Imatge Portada: Microbe.net

 

La malaltia infecciosa més letal

Ebola. Segur n’has sentit parlar. Segur que vas seguir detingudament les notícies que arribaven des de l’Àfrica de la gran epidèmia que va tenir lloc cap al 2014. Segurament vas veure a la televisió tots els dispositius de màxima seguretat que es van desplegar. El van anomenar un dels virus més letals del món, però, és veritat? Analitzem-ho des del punt de vista epidemiològic. 

DEFUNCIONS PER INFECCIONS

L’Organització mundial de la Salut (OMS) realitza de forma periòdica estudis sobre les principals causes de defunció al món. Entre elles trobem les malalties infeccioses. L’Ebola va suposar un gran problema epidèmic el 2014 però no arribà a provocar un nombre significatiu de morts per entrar a la llista de l’OMS. Aquestes infeccions provoquen moltes morts per les quals no es tanquen fronteres ni es donen rodes de premsa d’emergència.

La majoria de les defuncions es donen a llocs on les condiciones sanitàries no són bones, ja que en molts casos existeix un tractament preventiu, curatiu o pal·liatiu que ajuden a perllongar la vida dels afectats.

Gràfic representatiu de les dades de l’OMS sobre les defuncions mundials per malalties infeccioses l’any 2014. (Elaboració pròpia).

Segons les darreres dades de l’OMS, la malaltia infecciosa que produeix més defuncions a l’any és el SIDA, produït pel virus VIH. Causa un total d’ 1,6 milions de morts. Tot i això, cal destacar que les morts produïdes per aquesta malaltia es deuen generalment a malalties infeccioses secundàries com per exemple la tuberculosi. Aquesta darrera és la segona malaltia infecciosa que provoca més morts al any, amb un total d’1,4 milions.

La pneumònia produeix un total de 922000 morts a l’any de nins menors de cinc anys. La infecció vírica del fetge o Hepatitis B produeix un total de 780000 morts a l’any. Seguidament trobem les malalties diarreiques i la malària. Si ho comparem amb els morts produïts per l’Ebola podem veure que aquest queda bastant enrere.

TAXA DE LETALITAT

Aquestes dades de l’OMS són en general, però quan parlem d’aspectes epidemiològics utilitzem una mesura coneguda com a taxa de letalitat. Aquesta representa la proporció de casos mortals d’una determinada malaltia respecte al nombre total de casos diagnosticats en un temps concret. La seva fórmula és:

Fórmula de la taxa de letalitat on la F representa les defuncions i la E representa els casos diagnosticats en el mateix període de temps.

Aquest càlcul és estimat, ja que existeixen molts factors que condicionen aquest valor, com per exemple l’existència de casos asimptomàtics. Un altre factor important és la qualitat del sistema sanitari, ja que si es té accés al tractament aquesta taxa queda pràcticament anul·lada i les víctimes mortals disminueixen significativament.

Així doncs, quin diries que és el patogen més letal del món?

A la taula següent exposem els principals patògens amb taxes de letalitat més grans. Recordem que molts d’ells tenen tractament, per tant aquestes dades representen el valor de les taxes en casos de no adquirir cap tractament.

Taula resum de les diferents taxes de letalitat segons la OMS. (Elaboració pròpia).

Alguns dels casos exposats a la taula amb un tractament adequat, presenten una taxa menor, com seria el cas de la ràbia o la verola. En altres casos, com els prions, no existeix cap tipus de tractament i per tant, tots els infectats acaben morint. En el cas de l’Ebola, la taxa de letalitat dels darrers episodis epidèmics fou del 50-60%, però certes variants del virus poden presentar fins a un 90% de letalitat. Per sort, el tractament en sèrum és un 90% efectiu.

Podem veure, doncs, que certs virus molt coneguts com l’Ebola presenten taxes de letalitat relativament baixes respecte virus com per exemple el VIH. Doncs, per què va tenir tant de ressò l’epidèmia d’Ebola? La qüestió es trobava al temps d’evolució: l’Ebola és una malaltia d’evolució ràpida (els símptomes i la mort arriben als pocs dies si no hi ha tractament) mentre que el VIH és més lent i silenciós, pot estar dècades a mostrar algun símptoma.

LA RÀBIA: la letalitat feta virus

Aquesta és una malaltia zoonòtica, és a dir, que es transmet d’animals a humans. És produïda per un virus en forma de bala de la família Rhabdoviridae i del gènere Lyssavirus. Presenta una mida aproximada de 180 nm de longitut i 75 nm de diàmetre. Es tracta d’un virus d’ARN que infecta el sistema nerviós central produint una encefalitis o inflamació del teixit nerviós de l’encèfal i produeix la mort en menys de deu dies (si no es tracta a temps). És una les malalties més letals, amb una taxa de letalitat del 100%.

Representació gràfica de l’estructura del virus de la Ràbia. (Imatge: CDC)

La seva estructura es caracteritza per presentar una doble capa lipídica que actua d’envoltura amb tota una sèrie de Glicoproteïnes G inserides a la superfície. Al seu interior trobem una hèlix formada pel material genètic i les nucleoproteïnes. El seu genoma està codificat en forma d’ARN i té una longitud d’1,2 kb, on trobem cinc gens que codifiquen per les proteïnes necessàries per a la seva replicació.

Representació gràfica del genoma del virus de la ràbia. (Imatge: CDC).

Aquesta malaltia es transmet per la mossegada o pel contacte directe entre mucoses d’un mamífer infectat (poden ser gossos, ratpenats, guineus…). Es troba a tots els continents, excepte a l’Antàrtida. Als països subdesenvolupats causa unes 55000 morts a l’any i el seu reservori principal són els animals domèstics. Per altra banda, als països desenvolupats el principal reservori són els animals salvatges.

Distribució geogràfica del risc de contagi de la Ràbia. Els països en blanc no presenten risc de contagi (Imatge: OMS)

·

Per sort, aquestes malalties tan perilloses tenen un tractament efectiu. Cal recordar però que la millor cura és la prevenció. Per tant, mantingueu els vostres animals domèstics  sense ràbia. 

Animació en castellà per la prevenció de la Ràbia. Organització Mundial de Sanitat Animal.

REFERÈNCIES

• Organizació Mundial de la Salut (OMS). Castellà
• Centre pel control i prevenció de malalties (CDC). Castellà.
• Microbios en la Red. Castellà
• Organizació mundial de Sanitat Animal (OiE). Castellà
• Imatge de portada: virus de la Ràbia,  Elnuevocafelito

Paràsits: senyals del nostre camí

Els misteris sobre l’evolució humana, el seu desenvolupament i els seus moviments al llarg de la història de la Terra segueixen sent un dels temes que aixequen més interès i expectació. Encara queden molts aspectes per esclarir i entendre, però gràcies a la ciència anem avançant a grans passes. Pot, doncs, la parasitologia ajudar a esclarir fets del passat? Ho descobrirem de la mà de la paleoparasitologia. 

QUÈ ÉS LA PALEOPARASITOLOGIA?

Es tracta d’una branca de la paleontologia que estudia els registres parasitològics trobats en restes arqueològics, és a dir, estudia els paràsits o les seves restes que es poden trobar en restes arqueològics. Aquests estudis pretenen descobrir l’origen i evolució de les diferents malalties parasitàries que afecten  l’home, així com determinar les seves relacions filogenètiques. A part d’obtenir aquesta informació biològica, ens permet conèixer aspectes socioculturals dels antics humans com per exemple la seva dieta, el seu nivell d’higiene, si eren nòmades o sedentaris, les seves migracions, etc.

Generalment, els materials estudiats per la paleoparasitologia són restes de teixit fossilitzat, mòmies, fòssils, copròlits (excrements momificats) o sediments que hagin pogut estar en contacte amb els fossin els hostatgers d’aquests paràsits.

Copròlits humans momificats (Imatge: M. Beltrame)

Trobar restes d’un paràsit a les mostres és una feina molt complicada, ja que el pas del temps destrueix i erosiona totes les restes orgàniques. Tot i així, es poden trobar molts ous o ooquistes al teixit momificat, ja que són estructures de resistència que es poden mantenir durant llargs períodes de temps.

A. Ou de poll (Pediculus humanus) trobat als cabells d’una mòmia al Brasil (12.000 anys d’antiguitat. B.Ou de Trichuris sp. trobat a Cabo Vírgenes, Argentina (6000 anys antiguitat). (Imatge: Araujo).

En certs casos, els escrits i dibuixos de les antigues societats ens permeten obtenir informació adiccional de la presència d’un determinat paràsit. A la imatge següent observem una ceràmica Moche del Perú on es representen les ferides típiques d’un cas de leishmaniosi. A la imatge del costat trobem un crani momificat que presenta unes lesions molt semblants. Això indica, que el contagi de leishmània ja es donava a les societats antigues precolombines.

A. Imatge modificada d’una ceràmica Moche amb lesions de leishmaniosi (cercle vermell). (Imatge: Oscar Anton, Pinterest) B. Crani momificat que presenta lesions típiques d’un quadre clínic de leishmaniosi. (Imatge: Karl J. Reinhard).

L’ARRIBADA AL CONTINENT AMERICÀ: MIGRACIONS HUMANES I PARÀSITS

Fa uns 150000 anys va aparèixer a Àfrica una nova espècie d’homínid: l’Homo sapiens. Es va començar a expandir en diverses onades cap a la resta del continent, Europa i Àsia. En aquest viatge s’emportà paràsits que ja afectaven els seus avantpassats (coneguts com a paràsits d’herència o heirloom parasites en anglès) i va anar adquirint noves parasitosis al llarg del seu camí (paràsits souvenirs), a causa de les relacions que anava establint amb altres homínids i animals.

Gràcies a les restes arqueològiques i pistes que van anar deixant al seu pas, s’ha pogut reconstruir els passos que van seguir els nostres avantpassats. Una de les rutes que emprengueren fou per l’Estret de Bering (que fa 13.000 anys estava congelat i unia les costes de Sibèria i Alaska) per arribar al continent americà. Sempre s’ha cregut que aquesta fou l’única ruta d’arribada al nou món, però troballes parasitològiques demostren una teoria molt diferent.

Representació gràfica de la possible ruta que seguiren els primers pobladors per arribar al continent americà. (Imatge: The Siberian Times).

Uns paràsits molt interessants que es poden trobar a jaciments arqueològics precolombins són Trichuris trichiura (nemàtode) i Ancylostoma duodenale. Aquests paràsits necessiten unes condicions climàtiques tropicals i subtropicals, ja que una part important de maduració en el seu cicle vital es duu a terme a l’ambient. Els seus ous són expulsats del cos amb els excrements i maduren a l’exterior.

A. Part superior: exemplar adult de A. duodenale (Christopher Noble). Part inferior un dels seus ous. (Imatge: Universidad Antioquia) B. A la part superior exemplar adult de Trichuris trichiura (Invertebrate zoology Virtual collection) i a la part inferior un dels seus ous (Microbiolgia blogspot).

Com van aconseguir, doncs, sobreviure a les dures condicions antàrtiques que es donaven a l’Estret de Bering? No van poder. Aquests paràsits no haurien pogut sobreviure a les condicions climàtiques d’aquesta regió i menys s’haguessin pogut expandir i reproduir, ja que els seus ous no podrien madurar. Per altra banda, cal destacar que tampoc s’han trobat evidències  que aquests paràsits afectin poblacions àrtiques actuals com els Inuits.

Així doncs, els principals experts en paleoparasitologia afirmen que la migració per l’Estret de Bering no va ser l’única forma d’arribada al continent americà. Adauto Aráujo i Karl Reinhard proposen que van existir, almenys, dues formes més de colonització de continent per part dels primers pobladors. Per una banda proposen una ruta costal (seguit la costa. Ruta b a la imatge inferior) i per l’altra una ruta transpacífica (trevessant l’oceà Pacífic, ruta c). En aquestes condicions climàtiques els paràsits intestinals que hem comentat abans podrien haver conservat les seves capacitats infectives i seguir afectant els nous americans.

Rutes proposades pels investigadores de l’arribada dels humans al continent americà basades en evidències paleoparasitològiques (Imagen: Aráujo, et al.)

Una de les preguntes que es formulen dels escèptics d’aquestes teories és si els paràsits ja es podrien trobar al continent americà. La resposta és ben senzilla. Aquests paràsits són específics de l’home i el seu origen és més antic que l’arribada a Amèrica. Per tant, necessitarien humans per poder completar el seu cicle biològic. Així doncs, segurament no hi havia paràsits intestinals al continent americà abans de l’arribada dels primers pobladors.

Una altra prova parasitològica que confirma aquesta teoria de les tres rutes és la presència del paràsit intestinal Enterobius vermicularis (cucs intestinals). Aquest paràsit es va relacionar per primera vegada amb avantpassats de l’Homo sapiens i altres homínids anteriors. Al llarg de l’evolució ha anat coevolucionant amb els seus hostatgers fins al punt de produir-se una diferenciació en diverses subespècies. En el continent americà s’han trobat restes de dos llinatges diferents de E. vermicularis, fet que es podria explicar a què no arribaren amb un sol grup d’humans, sinó que Amèrica va ser colonitzada per diferents grups humans que portaven paràsits diferents. En aquest cas, E. vermicularis si hauria pogut arribar per l’Estret de Bering ja que el seu cicle biològic no està determinat per les condicions climàtiques.

·

“Els paràsits, així com els seus hostatgers, sofreixen els fenòmens de l’evolució com la selecció, extinció i colonització. Per això, aquests paràsits específics de l’home són proves excel·lents sobre els moviments i migracions dels nostres avantpassats”. Adauto Aráujo (2008).

REFERÈNCIES

• A, Aráujo (2008). Parasites as Probes for Prehistoric Human Migrations?. Trends In Parasitology. Vol 24 (3). Pages: 112-115.
• Karl, J. Reinhard (2008). Archaeoparasitology. Encyclopedia of Archaeology, p. 494-501, ed. por Deborah M. Pearsall.
• CDC. Laboratory Identification of Parasitic Diseases of Public Health Concern. (En inglés).
• Imatge Portada: Chris Stringer, Natural History  Museum (Londres)

Bioluminescència: brillant amb llum pròpia

Des de fa temps, unes de les imatges més comentades i fascinants són les que mostren paisatges coneguts com a “Mars d’estrelles” a Jervis Bay (Australia) o les “coves estrellades” a Nova Zelanda. Milers de llumets brillant a la més fosca obscuritat. Es tracta d’un fotomuntatje? No, en realitat es tracta d’un procés natural pel qual els organismes brillen amb llum pròpia. 

A. Mar d’estrelles a Jervis Bay (Imatge: maxres) B. Waitomo Glowworms cave a Nueva Zelanda (imatge: Forevergone).

LA BIOLUMINESCÈNCIA

Aquest procés, tot i parèixer sortir d’un conte de fades, és un procés químic pel qual els organismes vius tenen la capacitat de fer llum. Es tracta d’un tipus de quimioluminescència. Cal destacar, però, que a diferència de la fluorescència, la bioluminescència és pròpia dels organismes vius, és a dir, són ells mateixos qui creen la llum.

Moltes espècies, sobretot marines, presenten aquesta capacitat. Es creu que un 90% de les espècies que habiten regions abissals tenen la capacitat de produir llum. El nostre company Marc Arenas parla d’aquests organismes de les grans profunditats als seus articles “Viatge a les profunditats I i II“. En l’àmbit terrestre el nombre d’organismes bioluminescents descendeix, però tot i així tots coneixem les cuques de llum (Fam Lampyridae) i els fongs bioluminescents (gènere Amarillia, Mycena…).

Cuca de LLum (Fam Lampyridae) i Fong Mycena chlorophos. (Imatge: National Geographic)

La reacció de bioluminescència és una oxidació acalorífica, és a dir, que no produeix calor. Els organismes presenten una proteïna coneguda com a Luciferina que mitjançant l’acció de l’enzim luciferasa s’oxida en presència d’oxigen. A la imatge inferior podem observar aquest procés de manera molt senzilla. L’enzim permet que les molècules d’oxigen s’uneixin a la luciferina. L’energia resultant es dóna en forma lumínica. Per dur a terme aquesta reacció es necessita un cost energètic en forma d’ATP (molècula energètica que utilitzen les cèl·lules).

Esquema de la bioluminescència (Imatge: the HuffPostworks)

Existeixen dos tipus diferents de bioluminescència: intracel·lular (la reacció es dóna en òrgans especialitzats) i extracel·lular (les molècules es sintetitzen a l’organisme però s’alliberen a l’exterior perquè es mesclin i es produeixi la reacció). En el cas de la intracel·lular podem trobar aquells organismes que tenen la capacitat de sintetitzar la luciferina o aquells que mantenen una relació simbiòtica amb bacteris bioluminescents.

FUNCIONS DE LA BIOLUMINESCÈNCIA

Més enrera hem comentat que la majoria d’organismes que tenen la capacitat de fer llum pròpia viuen en llocs molt foscos (fons dels oceans, coves…). Per aquests organismes, la bioluminescència és emprada en moltes situacions:

• Comunicació intraespecífica. S’utilitza per comunicar-se entre organismes de la mateixa espècie, com per exemple per la selecció de parella reproductiva. A l’article “Com es comuniquen els insectes?”, la meva companya Irene parla dels diferents mètodes utilitzats, entre ells la bioluminescència de les cuques de llum.
• Defensa. Hi ha certs organismes que quan es veuen pertorbats o atacats produeixen llum per fer fora al depredador. Un exemple molt interessant és el del Calamar vampir (Vampyroteuthis infernalis) que escup una espècie de moc bioluminescent per despistar als depredadors.
• Atracció de les preses. Alguns tenen òrgans productors de llum que criden l’atenció  a les preses cap a ells, com per exemple els peixes del gènere Lopiiformes.
• Camuflatge. En certs casos, la bioluminescència s’utilitza per camuflar-se a les llums i ombres del oceà, com seria el cas del tauró de l’espècie Etmopterus pusillus.

BIOLUMINESCÈNCIA I MICROORGANISMES

La capacitat de produir llum és característica que apareix a quasi tots els regnes. També existeixen una gran varietat de microorganismes que presenten les molècules necessàries per dur a terme la reacció. Les funcions de la bioluminescència en els microorganismes són generalment per la comunicació i com a resultat de l’eliminació de l’oxigen sobrant (detoxificació).

Alguns dinoflagelats, com per exemple Pyrodinium bahamense, tenen la capacitat de produir llum quan les condicions ambientals han estat molt favorables i la seva població ha sofert un creixement exponencial. En aquest moment, quan l’aigua es mou es produeix la reacció lluminosa, com en el cas dels “Mars d’estrelles”.

Bioluminescència resultat del creixement excessiu de dinoflagelats (Imatge: Ies Rey Pelayo)

En els òrgans especialitzats de certs animals, trobem algunes espècies bacterianes com Vibrio fischeri o Photobacterium. Aquests microorganismes reben nutrients i protecció dels animals i com a resultat del seu metabolisme es produeix la reacció lumínica.

Imatge del calamar Hawaià (Euprymna scolopes) i ampliació del seu òrgan lluminós. Al seu interior trobem Vibrio fischeri bioluminescent. (Imatge: Eric Stabb)

En molts casos, la producció de llum per part dels microorganismes està condicionada per la densitat poblacional d’aquests, és a dir, només es produeix llum quan hi ha molts microorganismes junts. Aquest sistema de regulació es coneix com percepció de quòrum o quorum sensing. En què consisteix?

QUORUM SENSING

Els microorganismes alliberen al medi una substància autoinductora (afavoreixen un determinat procés). Quan la concentració d’aquestes substàncies és molt gran, a causa  que hi ha una gran concentració de microorganismes junts, s’activen certs processos com la bioluminescència.

Aquesta és forma de comunicació entre els microorganismes, ja que molts processos depenen de la densitat poblacional. En el cas de Vibrio fischeri, aquesta només pot produir llum quan la densitat poblacional ha arribat a una mida determinada. Quan les molècules autoinductores es posen en contacte amb les parets bacterianes, s’inicia un procés genètic que regula la producció de l’enzim luciferasa i, per tant, la bioluminescència.

Esquema simplificat de la regulació genètica de bioluminescència dependent del quòrum (Imatge: Cornell Institute for Biology teachers).

BIOTECNOLOGIA I BIOLUMINESCÈNCIA

La biomimètica, ciència que utilitza la naturalesa com a font d’inspiració tecnològica, té com a pròxima frontera l’adaptació d’aquest procés d’il·luminació. Imagineu que es puguin substituir els fanals del carrer per arbres bioluminescents? Actualment no és possible, però existeixen grans empreses que intenten canviar l’electricitat de les grans ciutats per energies menys costoses i renovables. Mitjançant la modificació genètica podríem obtenir plantes amb la capacitat de produir llum per elles mateixes. Ciutats més verdes i sostenibles.

Recreació de la iluminació del futur amb plantes bioluminescents. (Imatge: iluminet)

Aquesta forma d’il·luminació, a part de reduir el cost energètic i la contaminació, és ràpida i fàcil de mantenir. Basta amb un gel ric en nutrients i una colònia de Vibrio fischeri per tenir una il·luminació brillant i continua. Estem parlant, doncs, d’una possible solució a la contaminació lumínica de les nostres ciutats?

·

La naturalesa és molt sàvia i ens segueix ensenyant coses, només cal aprendre a observar.

REFERÈNCIES

• Brock, biología de los microorganismos. Michael T, Madigan. Ed. Pearson. (castellà)
• Ocean Today. NOAA. (Anglès)
• The bioluminescence Web Page. (Anglès)
• Imatge portada: Andy Hutchinson.