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.

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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. 

Microbiología básica (II): mil y una formas bacterianas

Imagina una bacteria. ¿Que imagen ha venido a tu mente? Posiblemente hayas pensado en una bacteria alargada en forma de bacilo, tipo E.coli o en una pequeña esfera. Durante años, hemos asociado la forma de las bacterias a varias morfologías generales, pero en el ambiente existen una gran multitud de formas. ¡Descúbrelas en el segundo capítulo de Microbiología básica! 

MIL Y UNA FORMAS BACTERIANAS

Los microorganismos representan un grupo de organismos invisibles a simple vista muy variados. En el anterior capitulo de esta colección de artículos hablamos sobre el tamaño de los diferentes microorganismos y en este segundo capítulo de microbiología básica hablaremos sobre las diferentes morfologías o formas que existen del grupo Bacteria y el grupo Arquea (Bacterias extremófilas).

Generalmente, cuando empezamos el viaje en el mundo bacteriano nos presentan una serie de morfologías básicas: el coco (de forma esférica o de baya), el bacilo (en forma de bastón) y el espirilo (en espiral), así como sus agregaciones. Estas últimas, se forman mediante la unión de las células tras la división. Por ejemplo, hay especies que forman parejas de cocos (conocidos como diplococos), otros forman largas cadenas de cocos (como Streptococcus sp.), otros se disponen en agrupaciones cúbicas tridimensionales (como Sarcina sp) y otros forman estructuras como racimos de uvas (Staphylococcus sp).

Diferentes agrupaciones de cocos. (Imagen: Aula virtual).

En el caso de los bacilos, podemos encontrar también diferentes agrupaciones como los diplobacilos o los estreptobacilos (como por ejemplo Bacillus cereus). Aparte podemos encontrar muchas variaciones de los bacilos: los hay cortos y más redondeados (los cocobacilos, como seria el caso de Yersinia pestis), los hay pleomórficos (que tienen una o más formas dependiendo de la fase del ciclo celular), acabados en punta (como por ejemplo Epulopiscium fishelsoni), curvados o torcidos.

Diferentes agrupaciones y variaciones de los bacilos (Imagen: Aula Virtual)

Finalmente, aparecen las formas torcidas o espiraladas como seria el caso de los vibrios (en forma de coma, como Vibrio cholerae), los espirilos (como Rhodospirillium rubrum) o las espiroquetas (en forma de sacacorcho, como Spirochaeta stenostrepta).

Formas torcidas y espiraladas bacterianas (Imagen: Aula Virtual).

¿Pero, por qué se generaliza la morfología a estas formas?

Esto se debe a que la microbiología siempre había sido una disciplina médica y estas formas son las más recurrentes en las bacterias patógenas. Actualmente, con el auge de la microbiología se ha observado que en el ambiente existe una inmensa diversidad de morfologías diferentes, algunas mucho más complejas de las que se conocían hasta el momento. El siguiente gráfico es resultado de un elaborado estudio de David T. Kysela y muestra la verdadera variedad morfológica que existe en el mundo bacteriano.

Diferentes morfologías del grupo Bacteria (Imagen: David T. Kysela)

EJEMPLOS CURIOSOS

Algunas bacterias individuales presentan estructuras peculiares, como por ejemplo elongaciones estrechas conocidas como prosteca. Este seria el caso de Caulobacter sp. y Hyphomicrobium sp. Estas elongaciones permiten a la bacteria anclarse a un medio sólido. Hay bacterias que también pueden presentar tallos, espinas o puntas.

Bacteria de la especie Hyphomicrobium sp. con su característica prosteca. (Imagen: Holm Niels)

Otras bacterias presentan formas poco usuales y muy variadas. Por ejemplo, las bacterias halófitas (que soportan elevados niveles de concentración salina) de las especies Stella sp. y Haloquadratum sp. forman agregaciones muy características. La primera tiene forma de estrella y la segunda forma rectangular.

 

Formas características de Stella vacuolata (a) y Haloquadratum walsbyi (b). (Imagen: Aula virtual).

Haloarcula japonica es una bacteria individual halófita como las anteriores que presenta una morfología muy llamativa. Como podemos ver en la primera sección de la imagen (a), en ciertos estadios de su ciclo celular presenta una forma triangular. Por otro lado, Pyrodictium abyssi (b) presenta una de las morfologías más llamativas, ya que tiene la forma de una i griega.

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

También existen agrupaciones bacterianas muy características, como por ejemplo largas cadenas de organismos que dan un aspecto de bacteria filamentosa. Este es el caso del filo bacteriano conocido como Chloroflexi, donde se clasifican bacterias verdes del azufre como Chloroflexus sp. (b). Otra agrupación muy llamativa son las empalizadas. Estas se caracterizan por ser uniones entre bacterias, por ejemplo bacilos, de forma vertical. Un ejemplo muy conocido es el caso de Simonsiella muelleri (b).

a) Microfotografía de una colonia de Chloroflexus sp. (Imagen: JGI Genome Portal). b) Microfotografía de escáner de Simonsiella sp. (Imagen: J. Pangborn)

En ciertos casos, hay bacterias que no presentan una forma definida o esta puede variar a lo largo de su ciclo celular. En este caso hablamos de bacterias técnicamente conocidas como pleomórficas. Corynebacterium sp. y Rhizobium sp. son genéticamente pleomórficas y buenos ejemplos de este tipo de morfología.

DETERMINADO  POR EL GENOMA

La forma o morfología que presentan las diferentes bacterias viene determinada por su genoma. Este hecho, y la gran diversidad de morfologías en diferentes ambientes, sugieren que esta característica tiene un valor adaptativo y que han sido producidas por fuerzas selectivas.

En general, las características morfológicas se atribuyen a eventos ambientales como por ejemplo la limitación de nutrientes, reproducción, dispersión, evasión de un depredador o detección del huésped. En el caso de las bacterias filamentosas, estas presentan una mejor flotabilidad en medios líquidos y son más difíciles de digerir por protistas. Las bacterias helicoidales se mueven de forma más fácil en medios viscosos, mientras que una bacteria esférica o coco es ideal para la difusión de nutrientes (ya que aumenta la relación superficie/volumen).

Así pues, cabe esperar que una misma morfología pueda aparecer por convergencia en linajes diferentes (que no tienen un antepasado común), es decir, esa forma es una adaptación a un determinado medio. Por ejemplo, las bacterias que presentan prosteca antes se agrupaban en un solo género conocido como Prosthecomicrobium, pero gracias a los estudios genéticos, este género se ha dividido en tres géneros diferentes. La sorpresa llegó cuando observaron que cada uno de estos géneros era más parecido a un género sin prosteca que entre ellos, es decir, no estaban relacionados filogenéticamente. Simplemente estas especies han desarrollado el mismo sistema para anclarse fácilmente.

Sin embargo, también hay que recordar que existen características morfológicas que se heredan de un ancestro común y al ser útiles para la vida del microorganismo se conservan.

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¡No nos engañemos! A medida que aumente el conocimiento en el mundo microbiano y las técnicas genéticas, iremos descubriendo mil y una curiosidades más sobre estos pequeños organismos. 

REFERENCIAS

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

Why did change the water colour?

In August of 2016, the news of a green pool at the Olympic Games in Riode Janeiro was published in all media. Everyone was shocked and spokeon the topic, but this phenomenon occurs in nature more often than wethink, for example in  lake Urmia (Iran), lake Clicos (Lanzarote), Lake Hilier (Australia), etc. Would you like to know the reason for these changes?

THE CONCEPT OF EUTROPHICATION

We have heard speak so much about the surprising pool’s colour change of them Games Olympic, but do you know the scientific explanation to this effect?

The Rio 2016 Olympic Games pool. The color change was apparent and caused by the proliferation of microscopic algae. (Image: Verne. El País).

This phenomenon of change of color  is very common in the nature. It is the eutrophication of  water. This concept makes reference to the proliferation of organisms due to an increase in the concentration of nutrients in water. So understand it easily: an increase of food occurs in water and  resulting in a rise in organisms which modify the characteristics of the water such as color, turbulence, etc.

In water bodies like lakes or swimming pools, this phenomenon is more commonly, but in sea also appear this blooms of organisms (above all phytoplacton).

Example of eutrophication by algae in a lake. (Image: Radio wtcv)

The main nutrients that influence the eutrophication of lakes are the limiting factors nitrogen and phosphorus. In bodies of sweet water this last is determinant, while in salted water the nitrogen tends to be the limiting factor. A increase of these nutrient’s concentrations  begins the process of eutrophication and proliferation of photosintetic organisms (mostly microalgae and  photosynthetic bacteria as cyanobacteria or archaebacteria as the Holobacterias).

When a lake receive excessive nutrients, all the trophic structure  can change very quickly. Water is too fertilized and photosynthetic organisms proliferate causing an algae or microorganisms bloom.

Basic diagram of eutrophication (Image: Sachink Biology)

Normally, we speak of  microalgae (phytoplankton) and cyanobacteria blooms, but in certain cases, when the change of nutrients is more drastic (that affects to the composition or chemical characteristics of  water) we can speak of the proliferation of bacteria and Archaea. For example in lake Urmia (Iran), proliferate exponentially the Halobacteria that support large saline concentrations. Due to the low rainfall and continuous extraction ofwater for agriculture, water becomes more salty and impede the life of the majority of organisms and favouring the blooms of the more specialized, as Halobacteria. The red pigmentation arises by the presence of a pigment known as bacteriorhodopsin.

Satellite image of lake Urmia (Iran). The change of color is produced by proliferation of bacteria of the family Halobacteriaceae. (Image: La Vanguardia)

The example of Rio’s pool shows the initial stages  of algae bloom. Some lakes, however, are in more advanced stages of eutrophication, as it would be the case of the Clicos Lake in Lanzarote. In this Lake proliferate exponentially the  Ruppia maritima algae.

Photograph of the Clicos Lake in Lanzarote. (Image: National Geographic)

NATURALANDANTHROPOGENIC EUTROPHICATION

Natural eutrophication process is highly regulated, since it tends to a balance between the inputs (precipitation, runoff, erosion…) and outputs of nutrients. There are three trophic states trophic in lakes: the oligotrophic, the mesotrophic and the eutrophic, depending on certain characteristics of water such as the concentration of nutrients and oxygen, its turbulence, the primary production etc. These states marke ‘age’ of lakes, i.e., a young lake will be oligrotrophic while one older will tend to eutrophication.In the following table we find some differences between these threetrophic states:

Table with some differences between the different trophic states.

The ecosystems natural present resilience, i.e., capacity to return to the normal state after a sudden disturbance. Even so, with time, the ancient lakes tend to accumulate sediments and organic remains,making finally the Lake in a swamp. This process can last thousands of years.

The anthropogenic eutrophication makes reference to one type of eutrophication caused by humans. Waste water, waters rich in fertilizers and other types of pollution are the main causes of this type of eutrophication. The ecosystem is not capable of eliminating as many nutrients in a balanced way and they tend to accumulate. In this case, the process lasts much less that the natural: as only some decades are sufficient.

Comparison between the two types of eutrophication. (Image: New Brunswick, Canadá).

THE BEGINNING OF THE END

The eutrophication, however, mark the beginning of the death of ecosystem. But, how?

The increase in nutrient concentrations produces an increase in the proliferation of aquatic plants and algae carried out photosynthesis. Therefore an organism bloom occurs and causes the formation of a barrier in the water. In the surface, the concentration of oxygen is maintained while in deep areas, where the light not penetrates with ease, is produces an increase of aerobic breathing  and decreases the photosynthesis. This process of oxigen consumption  causes that every time has less concentration of this gas and the medium is again anoxic.With enough oxygen, species before peacefully living in the Lake, now will disappear.

In the diagram you can see the barrier created by the proliferation of algae, leaving the deeper areas in a dark environment without oxygen. (Modified image from SPE International)

On the other hand, a high biological activity  implies a decrease of the dissolution of certain nutrients in the water, causing a change in the pH and salinity of this, conditioning seriously also the habitability of these waters and favoring the proliferation of extremophiles. In addition, the presence of certain algae suppose  the production of toxins that affect negatively to the lake’s native populations  The main toxic cyanobacteria that tend to proliferate easily are Anabaena sp, Cylindrospermopsis sp., Microcystis sp. and Oscillatoria sp. This implies a great loss in the diversity of the area.

Comparison of diversity in a oligotrophic lake and eutrophic one. (Image: Madrid+d)

Finally, the organic remains of dead organisms accumulate at thebottom of thelake, thus increasing the sediment layer. By time, the volume of water has been reduced significantly,turning the place into a swamp.

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As in the majority of cases, the actions of the man have serious consequences in the environment. We must avoid the pollution or will lose the great diversity that surrounds us.

REFERENCES

• Eutrofización. Nestor Mazzeo. (PDF, spanish)
• Personal notes, Biology degree at UIB.

• Eutrophication: Causes, Consequences, and Controls in Aquatic Ecosystems. Michael Chislock. Available  here .

• Cover photo: Axena.

 

Home’s micro-squatters

If you ever thought to be alone in your house, you were wrong. In your home there are thousands and thousands of micro-organisms sprout at ease. They are responsible for odors and pollution from yourhome. Would you like to know more about your tenants?

MICRO-SQUATTERS OF OUR HOUSES

It is stimated that about 90% if our time is spended in closed places, such as office, school or home. These places, as well as the rest of our planet, presents a environmental conditions suitable for proliferation of bacteria, fungi and arthropods. These communities are known as the Home’s Microbiome.

Photomicrograph of the bristle of a used toothbrush where proliferate a lot of microbial communities (Image: Science photo library)

The relations that we stablish with these communities of microorganisms can condition directly in our health. Can find beneficial microorganisms, indifferent microorganisms (i.e that do not produce any effect) and pathogenic microorganism (as Staphylococcus auereus resistant to antibiotics) or allergens as them mites. These pathogens, in most of cases, just represent a litle percentage and not pose any risk for them home’s occupants.

BACTERIA

Bacterial communities are very abundant in our homes. We can find them in every corner and have a great diversity. For example, in the dust is estimated that there are som 7000 different bacterial species. In the following graphic, can observe the broad diversity of bacterial species that colonizes certain regions of our home, such as the toilet’s lid, kitchen or our own beds.

Differents bacterial families that we can found arround our home (Image: G.E. Flores)

FUNGI

In normal conditions, a house can present up to 2000 different types from fungi. We can also find them in all home environment such as food, kitchen, walls and even in forgotten places during cleaning as for example the dust accumulated on the door frames. Among them, we can highlight the presence of Aspergillus, Penicillium and Fusarium (common envirnmental fungi). Also proliferate fungi responsible of the wood degradation (as for example Stereum, Tremetes, or Tremellosa) or fungi related with humans, like Candida.

Wall mold that appear in homes (Image: Mycleaningproduct.com) or fruit mold by Penicillium sp. (image: wisegeek).

MITES

These microorganisms represents to the Arthropods of our homes. Normally they live in dust, on rough surfaces such as fabrics, mattresses and pillowsa where they feed on died human and animals skin. We can find Dermatophagoides pteronyssus and Dermatophagoides farinae species, commonly knwon as dust mites. Even so, and to a lesser extent, we can find also some that another exemplay of Demodex folliculorum. This mite live in the hair follicles of our face and feeds on dead skin. Normally follows from the skin while we are sleeping.

Dust mite D. pteronyssinus (image: Göran Malmberg) and follicles mite Demodex folliculorum (Image: BBC)

BIOGEOGRAPHY AND  EMISSION SOURCES

The geographical distribution of these microscopic communities and those factors that determine it, are little known. For that reason, along this decade, studies about hom’s microbiome have increased and proliferated singnicantly.

The large microbial diversity changes over different locations in our home, i.e. we will not find the same microorganisms in bed than in the bowl of the toilet. For example, in our kitchen, depending on the place that we examine, we find greater abundance of specific bacterium or other. In the image bottom, us show as in the stove of our kitchen find more Salmonella sp than Clostridium sp.

Differences in the abundance of bacteria depending on the location (Image: G.E. Flores)

Even so, we can found a certain pater in this distribution, i.e. the microorganisms that inhabit certain areas are more similar than the comminities that we found in other locations. In the following dendogram we can observe that microorganisms found in our pillowcase are very similar to those that found in toilet, but completely different from whichwe can find in our kitchen cutting board.

Dendrogram of similarity between the bacterial communities of various areas of our home. (Image: Robert, D. Dunn).

But, what is the reason for this geographical distribution?

The response is found in the differents emission sources of these organisms. Depending on the source we can find find a few species or others. Obviously the main microorganism source of emission  into the environment are humans. We know that millions of bacteria and other microorganisms live in our body and they spread everywhere, either by respiratory activity, waste digestion or skin contact. Each human leaves a specific microbial fingerprint in those places. 

Major sources of emissions according to the area of the home to examine. See is that the largest source of emission are the own human. (Image: G. E. Flores)

In the graphic you can see that in some places appear microorganisms related to our intestines, specifically those who are ejecting with droppings. Is not wash you hans after going to the service, surely yo go spreading faecal bacteria everywhere. Also, if you pull the string with the toiled lid open, it causes the expansion of faecal bacteria as if it were a spray, reaching our toothbrushes  or the hand soap.

On the other hand, microbial diversity is very influenced by the number and type of home occupants. We cannot found the same microorganisms in a house with two persons than in other one with a family of seven. In addition, is has observed that not found the same microorganisms in homes where there is greater number of women that in which there is greater numer of males. Usually, mens released more microorganisms to environment.

Graphic of the influence of the genre of the occupants in the diversity of microorganisms in our home (Image: Albert barberán).

Another important factor that determines this geographical distribution and microbial diversity is the presence of pets. If in our homes we have animals like cats or dogs, we will found more varied microbial communities. In these case, these microorganisms are related to feces, skin and glans of these animals.

Differences in the abundance of certain bacterial species based on the presence or absence of pets (Image: Albert barberán).

Although the main source of emission are the occupants of these homes, microscopic comminities that colonise all corners are closely related to which we can found on the outside. In the case of fungi, this relationship is more narrow that in the case of bacteria. Even so, it has been observed that species are more varied in houses.

Comparison of the rich bacterial and fungal of our homes and the foreign. (Image: Albert barberán)

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How much reason have the phrase “as my home any place! Each home is indeed aunique and specific universe of microscopic communities. There aren’t two equal in the world!

REFERENCES

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

Basic Microbiology (I): invisible world

The 7 September 1674 Anton van Leeuwenhoek said having watched a few tiny animals in a drop of water. What you referred to the concept of tiny animals? In many of our articles we refer to these organisms. Read on to start your journey into the fascinating world of the invisible. 

A MICROSCOPIC WORLD

“They are imperceptible to the naked eye and abounded in such a way that the water seemed to be alive.” From a simple sample of water, Anton Leeuwenhoek concluded that there were tiny living organisms that were impossible to observe with the naked eye. With the help of a rudimentary microscope, he described the first microorganisms.

A world microscopic drawings of Leeuwenhoek over what he described as tiny animals. (Photo: Miguel Vicente, Madrimasd).

The concept of microorganism refers to a heterogeneous group of organisms that can only be displayed with the help of microscopes, since they have sizes lower than the limits of vision of humans (approximately 0.1 mm). They may be prokaryotic (bacteria), eukaryotic (Protozoa, algae, fungi…) and even entities acellular, as it would be the case of the virus. These organisms are measured by submultiples of the metro, more specifically in micrometers (μm, thousandth of a millimeter) and nanometers (nm, millionth of a millimeter).

The submultiples of the metro table (photo: Science Park).

This small size has its advantages: a high surface to volume ratio. This factor has an important biological effect. For example, the smaller cells tend to grow and multiply more quickly due to a rapid exchange of nutrients. Be reduced in size on the other hand, favors a more rapid evolution already that to multiply more quickly significantly increases the frequency of mutations (remember that mutations are the raw material of evolution). In addition, microorganisms more quickly adapt to the environment.

Let’s look at the different sizes that can be found in this large group of microorganisms. In the image below we can see a simple comparison between the various organisms and cells.

Different microorganisms and cells size scale. (Photo: Isabel Etayo).

BACTERIA

This group of prokaryotes is characterized by a size that includes more than 700 μm and 0.2 μm. It should be noted that this group presents varied morphologies and therefore some are measured by diameter (spherical bacteria or coconuts) or by thickness and height (elongated bacteria or bacilli). A prokaryote’s average size is between 0.5 μm and 4 μm. The bacterium Escherichia coli is usually of approximately of 2 μm x 1 μm. In a small space, as the diameter of the point that there is at the end of this sentence would fit some 500 E. coli.

Size comparative diagram of different bacteria. (Photo: University of Granada).

The largest known bacterium is Thiomargarita namibiensis. This prokaryote was found in Namibia in 1999. Its size is 750 μm in diameter (0.75 mm), so they are almost visible to the naked eye. These microorganisms usually present as large as some nutrient storage mechanism, in this case sulfur. Another great example is that of Epulopiscium fishelsoni with a size of 600 μm. On the right side of the picture below we can see the comparison of the latter with  E. coli.

A. Picture of Thiomargarita namibiensis, of about 750 micrometers. B. comparison between Epulopiscium fishelsoni and E. coli. (Photos: Science Policy)

Having a microscopic size isn’t all advantages, it is obvious that there should be a lower limit. Sizes less than 0.15 μm in a bacterium would be almost impossible. Mycoplasma pneumoniae is the smallest bacterium, with a diameter of 0.2 μm. This is a bacterium without a cell wall which can be purchased in many different ways. Following the example of the final point, at 1 mm diameter would fit 5000 bacteria size of Mycoplasma pneumoniae.

VIRUSES

In general, viruses have sizes much smaller than bacteria. They usually have sizes ranging from 20 to 300 nm. So the virus can be up to one hundred times smaller than a bacterium like E. coli. 

Comparison of sizes of different virus and E. coli. (Photo: diversidad microbiana)

The largest known virus is the Mimivirus. This presents 600 nm in diameter (larger than Mycoplasma pneumoniae). In the image below, you can see the comparison between the size of these giant virus and Rickettsia conorii (bacteria that causes human Boutonneuse Fever).

Comparison between Mimivirus and Rickettsia conorii. (Photo: byte Size Biology)

The Polio virus is one of the smallest viruses that are known, with a size of 20 nm (0.02 μm). If we could observe how many polio virus would fit on the point of the end of the sentence, would find some 50000 polio viral particles.

MICROSCOPIC EUKARYOTES

In Protozoa, the size remains varied. The average size is usually 250 μm in length. Even so, small protozoa as bacteria can be found (between 2 and 3 μm, like for example the Leishmania or Babesia) or large protozoa visible to the naked eye (from 16 mm in the case of Porospora gigantea). In the case of Leishmania can be seen as almost a hundred of bodies (thin arrow) can live inside a macrophage of a 30 μm (coarse black arrow).

Leishmania inside a macrophage (black arrow). The bar represents about 20 micrometers. (Photo: Thatawan Pothirat).

Microscopic fungi, such as yeasts, include sizes 6-20 μm. The best-known yeast is Saccharomyces cerevisiae with a size of oscillates between the 6 and 12 μm depending on its stage of ripeness. In the image below we can see an example very clear.

Size of the cells of Saccharomyces cerevisiae. (Photo: Easy notes).

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“No view has reached my eye more pleasurable than this of so many living creatures within a small drop of water”. Anton Leeuwenhoek, in 1974, discovered an incredible invisible world.

REFERENCES

• Brock, Biología de los microorganismos. Editorial Pearson.
• Ignacio López-Goñi. Virus y Pandemias. Editorial Naukas.
• Cover Photo: Escuela y Ciencia.

Microbiología básica (I): el mundo invisible

El 7 de Septiembre de 1674, Anton van Leeuwenhoek afirmó haber observado unos minúsculos animálculos en una gota de agua. ¿A qué se refería con el concepto de animálculos? En muchos de nuestros artículos hacemos referencia a estos organismos. Sigue leyendo e inicia tu viaje en el fascinante mundo invisible. 

UN MUNDO MICROSCÓPICO

“Los animálculos son animales imperceptibles a simple vista y abundaban de tal manera que el agua parecía estar viva”. De una simple muestra de agua, Anton Leeuwenhoek concluyó que en el mundo había organismos vivos diminutos imposibles de observar a simple vista. Con la ayuda de un rudimentario pero eficiente microscopio, describió los primeros microorganismos (con permiso de Robert Hooke, el primero en describir estructuras microscópicas de ciertos hongos).

Dibujos de Leeuwenhoek sobre lo que definió como animálculos. (Foto: Miguel Vicente, Madrimasd).

El concepto de microorganismo hace referencia a un grupo heterogéneo de organismos que sólo se pueden visualizar con la ayuda de microscopios, ya que presentan tamaños inferiores a los límites de visión de los humanos (aproximadamente 0,1 mm). Pueden ser procariotas (bacterias), eucariotas (protozoos, algas, hongos…) e incluso entidades biológicas acelulares, como seria el caso de los virus. Estos organismos se miden mediante submúltiplos del metro, más concretamente en micrómetros (μm, milésima parte de un milímetro)  y nanómetros (nm, millonésima de milímetro).

Tabla de los submúltiplos del metro (Foto: Parque Ciencia).

Este tamaño tan pequeño tiene sus ventajas: una relación superficie/volumen elevada. Este factor tiene un importante efecto biológico. Por ejemplo, las células más pequeñas tienden a crecer y multiplicarse más rápido debido a un rápido intercambio de nutrientes. Por otro lado, ser de tamaño reducido favorece una evolución más rápida, es decir, al multiplicarse más rápido la frecuencia de las mutaciones aumenta significativamente ( recuerde que las mutaciones son la materia prima de la evolución). Además, los microorganismos se adaptan más rápidamente a las condiciones ambientales del medio.

Analicemos pues, los diferentes tamaños que podemos encontrar en este gran grupo de los microorganismos. En la imagen inferior podemos observar una comparativa sencilla entre los diferentes microorganismos y células.

Escala de tamaño de diferentes microorganismos y células. (Foto: Isabel Etayo).

BACTERIAS

Este grupo de procariotas se caracteriza por presentar un tamaño que comprende entre los 0,2 μm y más de 700 μm. Hay que destacar que este grupo presenta morfologías muy variadas y, por tanto, algunos se miden por el  diámetro (bacterias esféricas o cocos) o por el grosor y la altura (bacterias alargadas o bacilos). El tamaño de un procariota de tipo medio es entre 0,5 μm y 4 μm. La bacteria Escherichia coli, modelo de estudio, suele ser de aproximadamente 2 μm x 1 μm. En un espacio pequeño, como el diámetro del punto que hay al final de esta frase cabrían unas 500 E.coli.

Esquema comparativo del tamaño diferentes bacterias. (Foto: Universidad de Granada).

La bacteria más grande conocida hasta el momento es Thiomargarita namibiensis. Esta procariota fue encontrada en Namibia en 1999. Su tamaño es de 750 μm de diámetro (0,75 mm), de modo que son casi visibles a simple vista. Generalmente estos microorganismos presentan un tamaño tan grande como mecanismo de almacenamiento de algún nutriente, en este caso azufre. Otro gran ejemplo es el de Epulopiscium fishelsoni con un tamaño de 600 μm. En la parte derecha de la imagen inferior podemos observar la comparativa de este último con E.coli.

A. Imagen de Thiomargarita namibiensis, de unos 750 micrómetros. B. Comparación entre Epulopiscium fishelsoni y E.coli. (Fotos: Science Policy)

Podría deducirse que tener un tamaño microscópico es todo ventajas, pero es obvio que debe existir un límite inferior. Tamaños inferiores a 0.15 μm serían casi imposibles en una bacteria. Mycoplasma pneumoniae es la bacteria más pequeña, con un diámetro de 0,2μm. Esta es una bacteria sin pared celular que puede adquirir muchas formas diferentes. Siguiendo el ejemplo del punto final, en su diámetro de 1 mm cabrían 5000 bacterias de tamaño de  Mycoplasma pneumoniae.

VIRUS

En general, los virus presentan tamaños mucho menores que las bacterias. Suelen tener tamaños comprendidos entre los 20 y los 300 nm. Por tanto los virus pueden ser hasta cien veces más pequeños que una bacteria de tipo medio.

Comparación de los tamaños de diferentes virus y E.coli. (Foto: Diversidad microbiana)

El virus más grande conocido es Mimivirus. Este presenta un diámetro de 600 nm, es decir, 0,6 μm (más grande que  Mycoplasma pneumoniae). En la imagen inferior, podemos observar la comparación entre el tamaño de estos virus gigantes y  Rickettsia conorii (bacteria que provoca la fiebre botonosa mediterránea en humanos).

Comparación entre el tamaño de Mimivirus y Rickettsia conorii. (Foto: Bytes Size Biology)

El virus de la Polio es uno de los virus más pequeños que se conocen, con un tamaño de 20 nm (osea, 0.02 μm). Si pudieramos observar cuantos virus de la polio cabrían en el punto del final de la frase, encontraríamos unas 50.000 partículas víricas de polio.

EUCARIOTAS MICROSCÓPICOS

En los protozoos, el tamaño sigue siendo muy variado. El tamaño medio suele ser de 250 μm de longitud. Aún así, podemos encontrar protozoos pequeños como bacterias (entre 2 y 3 μm, como por ejemplo la Leishmania o Babesia) o grandes protozoos visibles a simple vista (de 16 mm en el caso de Porospora gigantea). En el caso de Leishmania podemos observar como cerca de un centenar de organismos (flecha fina) pueden vivir en el interior de un macrófago de unos 30 μm (flecha negra gruesa).

Amastigotas de Leishmania en el interior de un macrófago (flecha negra). La barra representa unos 20 micrómetros. (Foto: Thatawan Pothirat).

En el caso de los hongos micróscopicos, como las levaduras, comprenden tamaños entre 6 y 20 μm. La levadura más conocida es Saccharomyces cerevisiae con un tamaño de oscila entre los 6 y 12 μm dependiendo de su fase de maduración. En la imagen inferior podemos ver un ejemplo muy claro.

Tamaño de las células de Saccharomyces cerevisiae. (Foto: Easy notes).

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“Ninguna vista ha alcanzado mi ojo más placentera que esta de tantas criaturas vivas dentro de una pequeña gota de agua”. Anton Leeuwenhoek, en 1974, descubrió un increíble y fascinante mundo invisible. 

REFERENCIAS

• Brock, Biología de los microorganismos. Editorial Pearson.
• Ignacio López-Goñi. Virus y Pandemias. Editorial Naukas.
• Foto de portada: Escuela y ciencia.

Photosynthesis and vegetal life

In this article we will talk about photosynthesis and about the first kinds of vegetal life. In the current systematic, the term plant fits primarily to terrestrial plants, while the term vegetal is an old term of Aristotelian connotation that refers to organisms with photosynthetic functions. But, as with everything, there are exceptions.

The term plant has existed for many years. But, previously, Aristotle was who classified the living organisms into three mainly groups:

• Vegetals (vegetative soul): can perform nutrition and reproduction.
• Animals (sensitive soul): nutrition, reproduction, perception, movement and desire.
• Humans: can do all these things and also have the ability to reason.

Aristotle (Public domain)

This simplistic way of perceiving the living world has lasted for a long time, but has varied due to different studies by several authors like Linnaeus or Whittaker, among others.

A very current classification was proposed in 2012, The Revised Classification of Eukaryotes. J. Eukariot. Microbiol. 59 (5): 429-493; this one reveals a true tree of life.

Sina ;. Adl, et al. (2012) The revised classification of Eukaryotes.  J Eukaryot Microbiol.; 59 (5): 429-493

WHAT IS PHOTOSYNTHESIS? IS IT A UNIQUE PROCESS?

Photosynthesis is a metabolic process that allows to use light energy to transform simple inorganic compounds into organic complexes. To do this, they need a number of photosynthetic pigments that capture these light rays and that through a series of chemical reactions allow to perform internal processes that give rise to organic compounds.

This nutritious option has been developed by many organisms in multiple groups and branches of the tree of life of eukaryotes. And among them appears  the Archaeplastida, the lineage of organisms that has led to land plants.

Terrestrial plants (Embryophyta) are easily definable, but what about the algae? Usually, they are defined as eukaryotic organisms living primarily in the aquatic environment and with a relatively simple organization, but this is not always true. For this reason, all Archaeplastida groups falling outside the concept of land plants (a small group within Archaeplastida) are called “algae“.

There are also photosynthetic prokaryotes into Eubacteria domain, and it is in these where photosynthesis is highly variable. While in eukaryotes is unique, oxygenic photosynthesis.

The Eubacteria domain is very broad, and among its branches there are up to 5 large groups of photosynthetic organisms: Chloroflexi, Firmicutes, Chlorobi, Proteobacteria and Cyanobacteria. The latter are the only eubacterial performing an oxygenic photosynthesis; with release of oxygen from water molecules and using hydrogen from water as electron donor. The rest performs an anoxygenic photosynthesis: the electron donor is sulfur or hydrogen sulfide and, during this process, oxigen is never released, since water rarely intervenes; which is why they are known as purple sulfur bacteria.

Photosynthesis is probably older than life itself. Oxygenic photosynthesis, which is tightly related to this group of bacteria, the cyanobacteria, probably occurs later. But it was crucial for the development of life on our planet, since transformed the atmosphere in a more oxygenated one and, due to this, life on Earth had become more diverse and has evolved.

Amazon, the lungs of the Earh (Author: Christian Cruzado; Flickr)

WHAT PIGMENTS ARE USED?

Cyanobacteria share pigments with terrestrial plants and other photosynthetic eukaryotes. These pigments are primarily chlorophylls a and b (the universal ones); c and d are only present in some groups. There are two more pigments that are univeral: carotenes, these ones act as antennas that transfer the captured energy to chlorophylls and also protect the reaction center against autoxidation, and phycobiliproteins (phycocyanin, phycoerythrin, etc.), which appear in both cyanobacteria and other eukaryotic groups photosynthetic and are responsible for capturing light energy.

But, why exist this variability of accessory pigments? because each pigment have a different absorption spectrum, and the fact to present different molecules allows to collect much better the wavelenght of sunlight; i.e., energy capture is much more efficient.

On the other hand, the anoxygenic photosynthetic bacteria don’t present chlorophylls and, instead, have specific molecules of the prokaryotes, the bacteriochlorophylls.

Absorption spectrum of different pigments (Reference: York University)

Where are pigments located?

In the organisms with oxygenic photosynthesis, that is, in cyanobacteria and photosynthetic eukaryotes, pigments are located into complex structures. In cyanobacteria, there are various concentric flattened sacs called thylakoids in the peripheral cytoplasm, which are only surrounded by a membrane. And it is in the lumen of the thylakoid where pigments are located. In eukaryotes, however, we found chloroplasts, which are intracellular organelles full of thylakoids with at least two membranes and they are particular of photosynthetic eukaryotes. In these chloroplasts is where photosynthesis takes place. Both groups, therefore, perform oxygenic photosynthesis within the thylakoids; the difference is that in eukaryotes, the thylakoids are located into the chloroplasts.

Plant cells where we can see chloroplasts (Author: Kristian Peters – Fabelfroh)

On the other hand, in organisms with anoxygenic photosynthesis there are different options. The purple bacteria contain pigments in chromatophores, a kind of vesicles in the center or periphery of the cell. In contrast, the green bacteria (Chlorobi and Chloroflexi) present several flattened vesicles at the periphery of the cell, on the plasma membrane, where bacteriochlorophyll are located. In Heliobacterium, the pigment is attached to the inner surface of the plasma membrane. They are generally not complex structures, and often this structures have simple membranes.

ORIGIN OF THE PHOTOSYNTHETIC ORGANISMS

The fossil evidence of the earliest photosynthetic organisms are the stromatolites (3.2 Ga ago). They are structures formed by overlapping thin layers of organisms together with their own calcium carbonate deposits. These occurs in shallow waters, in warm and well-lit seas. Although many seem straight columns, deviations are observed because they try to be oriented towards the sunlight to perform photosynthesis. In the past they had a crucial importance in building reefs-like formations and they also participated into the atmospheric composition changes. Currently, there are some which are still alive.

Stromatolites (Author:Alessandro, Flickr)

REFERENCES

• Notes from the Environmental Biology degree (Universitat Autònoma de Barcelona) and the Master’s degree in Biodiversity (Universitat de Barcelona).
• Font Quer, P. (1953): Diccionario de Botánica. Editorial Labor, Barcelona.
• Izco, J., Barreno, E., Brugués, M., Costa, M., Devesa, J. A., Fernández, F., Gallardo, T., Llimona, X., Parada, C., Talavera, S. & Valdés, B. (2004) Botánica 2.ªEdición. McGraw-Hill, pp. 906.
• Willis, K.J. & McElwain, J.C. (2014) The Evolution of Plants (second edition). Oxford University Press, 424 pp.

Biological warfare: silent weapons

Today, the panic and terror that a biological attack is an important concern for the most powerful countries. What are biological weapons? What organisms are used for their production? Is there a possibility of a bioterrorist attack? This article is the answer to these and more questions.

INTRODUCTION

The military use of microorganisms and substances derived from its activity is known as biological warfare. They are generally used to create disease, panic, terror and death in the population. If this objective is carried out clandestinely, we are talking about bioterrorism. Biological weapons are considered weapons of mass destruction, difficult to control and silent weapons (the detection time is extended due to the periods of incubation). 

These military methods have been used since ancient times. The Mongols threw the corpses infected with the plague against the walls of the cities enemy; in the war of 1867 in Paraguay, the soldiers threw corpses with cholera to wells to infect their enemies and decrease its troops. In the 20th century, with the increase of knowledge in Bacteriology and Virology, many countries began to produce biological weapons, as for example the creation of Fort Detrick in USA facilities and  Biopreparat laboratory in Russia. In 1972 was held the Convention on the prohibition of the production and distribution of biological weapons, was the arrival at an agreement to not produce this type of weaponry. However, in 2001, several civilian Americans suffered a biological attack with anthrax. The result was 5 deaths and an increase in insecurity against a biological attack. 

There are many types of biological weapons according to its objective (humans, plants or animals) or the biological component present (bacteria, viruses, toxins). In this article will analyze different biological agents most likely to use. The following table shows some examples, although the list could increase if we consider genetically modified agents.

Examples of bioagents used in biowarfare. Autor Duraipandian Thavaselvam

 

BACTERIOLOGICAL WEAPONS

This type of weapons is composed of bacteria or its spores (forms of resistance). Most of these organisms are easily found in nature and some of them are genetically modified to acquire a greater capacity for infection, increased resistance to the conditions of the environment, etc.

The body that most feared is Bacillus anthracis, popularly known as anthrax. This form of Bacillus bacterium forms resistant spores that can remain infectious in the environment for years. It may infect via three routes: skin lesions, through ingestion of spores or by breathing them. The latter is the most dangerous case and most often used in biological warfare. Even so, this bacteria cannot be transmitted between people, which would be used in a certain range, like for example one person. 

Photomicrograph of Bacillus anthracis. The red circle designates the endospores. Public photo of CDC

 

A good biological weapon would be one that could spread through the air and spread person to person. Yersinia pestis is a bacterium that meets this profile. It is responsible for the known as the black death that took the lives of more than 50 million people in the 14th century. There are three types of plague: bubonic (the most common and transmitted by the bite of a flea), septicemic and pneumonic (the most virulent and the most interesting in terms of its use as a biological weapon). Currently, Yersinia pestis is controlled by antibiotics but a laboratory created a resistant strain through genetic modification. This fact would imply that current medicine would not serve to neutralize it.

Electron photomicrograph of scanning (SEM) of Yersinia pestis (Public Photo from CDC)

 

Bacteria of the genus Brucella (cause of human brucellosis), Francisella tularensis (cause of tularemia), vibrio chloreae (cause of cholera disease) and other microorganisms are considered possible bacteriological weapons. These last are classified at lower levels of endangerment due to factors such as previous immunization of the population. Note that some experts believe that there are many possible bacteria, that genetically modified, they could become dangerous biological weapons.

VIRAL WEAPONS

Viruses are infectious particles that can only multiply inside of other cells. So they have different specific mechanisms to enter and infect a cell and replicate inside it. These features make them the perfect biological weapon. Many of them are natural pathogens of man. They need small infective doses to produce the disease and can transmit different forms of person to person.

Smallpox is the best-known virus used as a possible biological weapon. Humans are the only natural carriers of this virus. This is very contagious and has a large virulence (capacity of infection). Currently, it is considered eradicated, but two samples were kept in laboratories in the United States and Russia. Theoretically, they should be removed at the end of 1993, but no one said that this had happened. The smallpox virus as a biological weapon would be very dangerous since currently population is not immunized and his could generate a new pandemic.

Microphotography with electron microscope of smallpox virus (public photo of the CDC)

 

Another very important virus in recent years is the Ebola virus. It produces hemorrhagic fevers with a high mortality rate. His diagnosis is difficult and its biological cycle is virtually unknown. These characteristics make this virus a perfect candidate as a biological weapon. Even so, note that it is a fragile virus that only survives a few hours in the middle. It has great difficulty of dispersion is not transmitted by air. There is no cure, but it can be treated in early stages by a serum with antibodies against the virus. Other virus hemorrhagic fevers as the Marburg viruses of the family Araviridae and others are also good candidates for biological agents for war. 

Microphotography with electron microscope of ebola virus (public photo of the CDC)

 

TOXINS 

There are a large number of bacterial toxins that could be used as a biological weapon. They have high mortality rates, are very toxic and are easily produced, as it would be the case of the toxin of Clostridium  botulinum. These toxins produce botulism. Another interesting toxin is ricin (extracted from the shrub Ricinus communis) which has already been used as a biological weapon, has no antidote, and according to the CDC is one of the most powerful poisons that are known.

Using genetic modification has been achieved that bacteria such as Escherichia coli (that do not produce these toxins) can generate them. By inserting special genes in non-pathogenic bacteria, is becoming easier to produce large amounts of toxins.

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DO NOT PANIC! Current Nations have extensive prevention and Biodefense programs. The research and knowledge of these microorganisms are the solutions to a possible biological attack.

REFERENCES

• Center for disease control and prevention (CDC), USA.
• Bioterrorism: Implications for the Clinical Microbiologist, Wolfgang Klietmann
• Biological warfare agents, Duraipandian Thavaselvam.
• Respuesta de la salud pública a las armas biológicas y químicas. Guía de la OMS.
• Armas biológicas. Luis J. Galán
• Cover Photo: Alltimes10s

Guerra biológica: las armas silenciosas

En los últimos años, las afirmaciones de una posible utilización de armas biológicas han creado terror y pánico entre las mayores naciones. ¿Qué són las armas biológicas? ¿Que organismos se utilizan para crearlas? ¿Existe la posibilidad de un ataque bioterrosista? En este artículo damos respuesta a esta y más preguntas. 

INTRODUCCIÓN 

La guerra biológica es la utilización de microorganismos y substancias derivadas de estos con fines bélicos, es decir, la utilización de organismos vivos para crear pánico, terror y muerte en una situación de guerra. Si estos organismos son utilizados de forma criminal y  clandestina contra la población se considera un acto bioterrorista. Las armas biológicas son consideradas armas de destrucción masiva. Son armas difíciles de controlar y silenciosas, ya que el tiempo para detectar un ataque biológico puede ser muy largo debido a los períodos de incubación de las enfermedades.

A lo largo de la historia, las armas biológicas se han utilizado en tiempos de guerra. Los mongoles lanzaban los cadáveres infectados por la peste contra los muros de las ciudades sitiadas de sus enemigos; en la guerra de Paraguay en 1867, los soldados tiraban cadáveres afectados por cólera a los pozos de agua para contagiar a sus enemigos y diezmar sus tropas. En el siglo XX, con el crecimiento en el estudio de la bacteriología, muchos países empezaron a investigar para la creación de armas biológicas, ejemplo de ello son las famosas instalaciones de Fort Detrick en Estados Unidos y Biopreparat en Rusia. En 1972 en la Convención para la prohibición del desarrollo, producción y distribución de armas bacteriológicas i de toxinas, se llegó a un acuerdo de no producir armas biológicas para uso bélico. Aún así, en el año 2001, varios civiles de Estados Unidos sufrieron un ataque bioterrorista con anthrax. El resultado fue de cinco víctimas mortales y un aumento del pánico hacia este tipo de actos y armas.

Existen muchos tipos de armas biológicas en función de su objetivo (personas, animales o plantas) y del componente biológico que las compone (bacteria, virus, toxinas). En este artículo  analizaremos las armas contra los humanos según su componente biológico. En la siguiente tabla aparecen algunos ejemplos de organismos y toxinas sospechosos para la producción de estas armas, aunque la ONU reconoce hasta 31 posibles organismos. Cabe destacar que la lista podría aumentar si se incluyen organismos modificados genéticamente.

Ejemplos de agentes biológicos utilizados para la producción de armas biológicas. Autor: Duraipandian Thavaselvam.

ARMAS BACTERIOLÓGICAS

Este tipo de armas estan compuestas por bacterias o sus esporas (forma de resistencia). La mayoría de estos organismos se encuentran fácilmente en la naturaleza y algunos de ellos son modificados para que sus características sean mejores: mayor capacidad de infección, mayor resistencia a las condiciones del medio, etc.

El organismo que más temor ha suscitado ha sido Bacillus anthracis, conocido popularmente como anthrax o carbunco. Esta bacteria bacilar forma esporas resistentes que pueden mantenerse infecciosas en el ambiente durante años. Puede infectar a través de tres vías: heridas en la piel, mediante la ingestión de las esporas o por la respiración de las mismas. Este último es el caso más peligroso y el más utilizado en guerra biológica. Aún así, esta bacteria no puede transmitirse entre personas, por lo cual se utilizaría en caso de tener un objetivo determinado.

Microfotografía de Bacillus anthracis, el círculo señala las endoesporas. (Foto pública de la CDC)

Una buena arma biológica seria aquella que se pudiera diseminar por el aire y contagiarse persona a persona. Estas características las cumple la bacteria Yersinia pestis. Es la responsable de la conocida como Peste negra que se cobró en el siglo XIV más de 50 millones de víctimas mortales. Existen tres tipos de peste: bubónica (la más común y transmitida por la picadura de una pulga), la septicémica y la pneumónica (la más virulenta y la más interesante en cuanto a su utilización como arma biológica). Actualmente Yersinia pestis está controlada mediante antibióticos, pero en el laboratorio se creó una cepa resistente mediante modificación genética. Este hecho implicaría que la medicina actual no serviría para neutralizarla.

Microfotografía electrónica de barrido (SEM) de Yersinia pestis (Foto pública de la CDC)

Bacterias del género Brucella (Causantes de la brucelosis humana),  Francisella tularensis (causante de tularemia), vibrio chloreae (causante de la enfermedad de cólera) y otros microorganismos son considerados posibles armas bacteriológicas. Estos últimos estan clasificados en categorías de peligrosidad inferiores debido a factores como la inmunización previa de la población. Cabe destacar que algunos expertos afirman que hay muchas posibles bacterias, que modificadas genéticamente, podrían convertirse en grandes armas biológicas.

ARMAS VÍRICAS

Los virus son partículas infecciosas que solo pueden multiplicarse en el interior de otras células. Así pues tienen diversos mecanismos específicos para entrar e infectar una célula y replicarse en su interior. Estas características les hacen el arma biológica perfecta. Muchos de ellos son patógenos naturales del hombre. Necesitan pequeñas dosis infectivas para producir la enfermedad y se pueden contagiar de diferentes formas de persona a persona.

El virus más conocido utilizado como posible arma biológica es el de la Viruela. Los humanos son los únicos portadores naturales de este virus. Este es muy contagioso y tiene una gran virulencia (capacidad de infección). Actualmente se considera erradicado, pero se conservaron dos muestras en laboratorios de Estados Unidos y Rusia. Teóricamente debían eliminarse a finales del 1993, pero nadie aseguró que esto hubiera sucedido. Como arma biológica, el virus de la viruela sería muy peligrosa, ya que actualmente gran parte la población no esta inmunizada y su propagación  podría generar una nueva pandemia.

Microfotografía con microscopio electrónico del virus de la viruela (Foto pública de la CDC)

Otro virus muy importante en los últimos años es el virus del Ébola. Este produce fiebres hemorrágicas con una alta tasa de mortalidad. Su diagnóstico es difícil y se conoce poco sobre su ciclo. Estas características hacen que este virus sea un candidato perfecto como arma biológica. Aún así, cabe destacar que se trata de un virus frágil que se destruye a las pocas horas de encontrarse en el medio. Presenta una gran dificultad de dispersión ya que no se transmite por el aire. No existe cura, pero se puede tratar en fases iniciales mediante un suero con anticuerpos contra el virus. Otros virus productores de fiebres hemorrágicas como el Marbugo, virus de la familia Araviridae y otros, también son considerados posibles armas biológicas.

Microfotografía con microscopio electrónico del virus del ébola (Foto pública de la CDC)

 

TOXINAS

Hay una gran cantidad de toxinas que podrian ser utilizadas como arma biológica. Presentan altas tasas de mortalidad, son muy tóxicas y son de fácil producción, como seria el caso de la toxina butolínia de Clostridium butolinum. Estas toxinas producen el botulismo. Otra toxina interesante es la ricina ( extraída del arbusto Ricinus communis) que ya ha sido utilizada como arma biológica, no tiene antídoto y según la CDC es uno de los venenos más potentes que se conocen.

Mediante la modificación genética se ha conseguido que bacterias no capaces de sintetizar estas toxinas, como Escherichia coli, puedan producirlas. Así pues, cada vez es más fácil producir grandes catidades de toxinas.

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¡OJO, que no cunda el pánico! Las naciones actuales tienen extensos programas de biodefensa y prevención. La investigación y conocimiento de estos microorganismos es la solución a un posible ataque biológico. 

REFERENCIAS

• Centro de Control y Prevención de enfermedades, Estados Unidos.

• Bioterrorism: Implications for the Clinical Microbiologist, Wolfgang Klietmann

• Biological warfare agents, Duraipandian Thavaselvam.

• Respuesta de la salud pública a las armas biológicas y químicas. Guía de la OMS.
• Armas biológicas. Luis J. Galán.
• Foto de portada: Alltimes10s

Evolution for beginners 2: coevolution

After the success of Evolution for beginners, today we’ll continue  knowing the basics of biological evolution. Why  exist insects that seem orchids and vice versa? Why gazelles and cheetahs are almost equally fast? Why your dog understands you? In other words, what is coevolution?

WHAT IS COEVOLUTION?

We know that it is inevitable that living beings establish symbiotic relationships between them. Some depend on others to survive, and at the same time, on elements of their environtment as water, light or air. These mutual pressures between species make that evolve together, and as one evolve as a species, in turn it forces the other to evolve. Let’s see some examples:

POLLINATION

The most known process of coevolution is pollination. It was actually the first co-evolutionary study (1859) by Darwin, although he didn’t use that term. The first to use the word coevolution were Ehrlich and Raven (1964).

Insects existed long before the appearance of flowering plants, but their success was due to the discovery that nectar is a good reserve of energy. In turn, the plants found in the insects another way more effectively to carry pollen to another flower. Pollination by the wind (anemophily) requires more production of pollen and a good dose of luck to at least fertilize some flowers of the same species. Many plants have developed flowers that trap insects until they are covered with pollen and then set them free. These insects have hairs in their body to enable this process. In turn some animals have developed long appendages (beaks of hummingbirds, butterflies’ proboscis…) to access the nectar.

Darwin’s moth (Xantophan morganii praedicta). Photo by Minden Pictures/Superstock

It is the famous case of the Darwin’s moth (Xanthopan morganii praedicta) of which we have already talked about. Charles Darwin, studying orchid Christmas (Angraecum sesquipedale) saw that the nectar was 29 cm inside the flower. He sensed that there should exist an animal with a proboscis of this size. Eleven years later, Alfred Russell Wallace reported him that the Morgan’s sphinxs had proboscis over 20 cm long, and a time later they were found in the same area where Darwin had studied that species of orchid (Madagascar). In honor of both it was added “praedicta” to the scientific name.

There are also bee orchids that mimic female insects to ensure their pollination. To learn more about these orchids and the Christmas one, do not miss this post by Adriel.

The bat Anoura fistulata and its long tongue. Photo by Nathan Muchhala

But many plants not only depend on insects, also some birds (like humming birds) and mammals (such as bats) are essential to pollination. The record for the longest mammal tongue in the world is for a bat from Ecuador (Anoura fistulata); its tongue measures 8 cm (150% of the length of its body). It is the only who pollinates one plant called Centropogon nigricans, despite the existence of other species of bats in the same habitat of the plant. This raises the question of whether evolution is well defined, and occurs between pairs of species or it is diffuse due to the interaction of multiple species.

PREDATOR-PREY RELATIONSHIPS

The cheetah (Acinonyx jubatus) is the fastest vertebrate on land (up to 115 km/h). Thomson’s gazelle (Eudorcas thomsonii), the second (up to 80 km/h). Cheetahs have to be fast enough to catch a gazelle (but not all, at risk of disappearing themselves) and gazelles fast enough to escape almost once and reproduce. The fastest gaelles survive, so nature selects in turn faster cheetahs, which are who eat to survive. The pressure from predators is an important factor that determines the survival of a population and what strategies should follow the population to survive. Also, the predators will find solutions to possible new ways of life of their prey to succeed.

Cheetah hunting a Thomson’s gazelle in Kenya. Photo by Federico Veronesi

The same applies to other predator-prey relationships, parasite-host relationships, plants-herbivores, improving their speed or other survival strategies like poison, spikes…

HUMAN AND DOGS … AND BACTERIA

Our relationship with dogs since prehistoric times, it is also a case of coevolution. This allows, for example, to create bonds with just looking at them. If you want more information, we invite you to read this post where we talk about the issue of the evolution of dogs and humans in depth.

Another example is the relationship we have established with the bacteria in our digestive system, essential for our survival. Or with pathogens: they have co-evolved with our antibiotics, so using them indiscriminately has favored these species of bacteria to develop resistance to antibiotics.

THE IMPORTANCE OF COEVOLUTION

Coevolution is one of the main processes responsible for the great biodiversity of the Earth. According to Thompson, is responsible for the millions of species that exist instead of thousands.

The interactions that have been developed with coevolution are important for the conservation of species. In cases where evolution has been very close between two species, if one become extint will lead to the extinction of the other almost certainly. Humans constantly alter ecosystems and therefore biodiversity and evolution of species. Just declining one species, we are affecting many more. This is the case of the sea otter (Enhydra lutris), which feeds on sea urchins.

Sea otter (Enhydra lutris) eating sea urchins. Photo by Vancouver Aquarium

Being hunted for their fur, urchins increased number, devastated entire populations of algae (consumer of CO2, one of the responsible of global warming), seals who found refuge in the algae nonexistent now were more hunted by killer whales… the sea otter is therefore a key species for the balance of this ecosystem and the planet, as it has evolved along with urchins and algae.

Coevolutive relations between flowers and animals depend on the pollination of thousands of species, including many of agricultural interest, so we must not lose sight of the seriousness of the issue of the disappearance of a large number of bees and other insects in recent years. A complex case of coevolution that directly affects us is the reproduction of fig.

TO SUMMARIZE

As we have seen, coevolution is the evolutionary change through natural selection between two or more species that interact reciprocally.

It is needed:

• Specificity: the evolution of each feature of a species is due  to selective pressures of the feature of the other species.
• Reciprocity: features evolve together.
• Simultaneity: features evolve simultaneously.

REFERENCES

• Massa R (2007). Atlas ilustrado del origen de la vida: La evolución de las especies. Jaca Book spa, Milano.
• Muchhala N. Nectar bat stows huge tongue in its rib cage. Nature (2006) vol. 444 (7120) pp. 701-702
• Coevolución: patrones y procesos
• Celebrando a Darwin
• Los 10 mamíferos más rápidos de la tierra
• La coevolución y las enseñanzas de Darwin
• Coevolución
• Las nutrias marinas pueden salvar nuestro planeta