Bacterias patógenas
Muchos tipos de bacterias flageladas, como la Salmonella de la imagen, producen enfermedades en los animales y en las personas. El organismo se mueve por medio de proyecciones filiformes, llamadas flagelos y se multiplica en el intestino, produciendo graves inflamaciones. Los animales de granja, especialmente las aves, son un depósito de bacterias, que pueden llegar al hombre a través de la carne, huevos y productos contaminados.
Bacteria, nombre que reciben ciertos organismos unicelulares visibles solo a través del microscopio y que constituyen uno de los tres dominios en que se dividen los seres vivos. Carecen de núcleo diferenciado y se reproducen por división celular sencilla. Las bacterias son tan pequeñas que solo pueden observarse con ayuda de un microscopio que las amplíe al menos 500 veces su tamaño real. Algunas se hacen visibles solo si se amplían 1.000 veces. Son muy variables en cuanto al modo de obtener la energía y el alimento, y viven en casi todos los ambientes, incluido el interior de los seres humanos. Habitan en las zonas más profundas de los océanos y en el interior de las profundidades de la Tierra.
Las bacterias poblaron la Tierra mucho antes de que ningún otro grupo de seres vivos la habitaran; se han encontrado restos fósiles de bacterias en rocas de hace 3.800 millones de años. Esas primeras bacterias habitaron un mundo inhóspito: carente de oxígeno para respirar, con temperaturas extremadamente elevadas y niveles altos de radiación ultravioleta procedente del Sol.
Las bacterias descendientes de esas bacterias primigenias pueblan hoy un gran número de ambientes. La mayoría ha experimentado cambios y hoy no serían capaces de sobrevivir en las duras condiciones que caracterizaban la Tierra primitiva. Sin embargo, otras no han variado mucho. En la actualidad, algunas bacterias son capaces de crecer a temperaturas superiores al punto de ebullición del agua, 100 °C. Hay bacterias que viven en fuentes termales; incluso en las grietas hidrotermales de las profundidades de los fondos marinos pueden vivir bacterias metabolizadoras del azufre. Otras no pueden estar en contacto con el oxígeno y solo sobreviven en medios anaerobios, como el intestino o el lodo del fondo de marismas, ciénagas o pantanos. También existen bacterias resistentes a la radiación. Las bacterias son organismos extraordinarios en términos de adaptación a ambientes extremos, desarrollándose en zonas que resultan inhóspitas para otras formas de vida. Cualquier lugar donde exista vida, incluye vida bacteriana.
| 2 | TIPOS DE BACTERIAS |
Las bacterias se pueden clasificar en varios tipos en función de varios criterios: por su forma, según la estructura de la pared celular, por el comportamiento que presentan frente a una tinción específica, en función de que necesiten oxígeno para vivir o no, según sus capacidades metabólicas o fermentadoras, por su posibilidad de formar esporas resistentes cuando las condiciones son adversas, y en función de la identificación serológica de los componentes de su superficie y de sus ácidos nucleicos.
| 2.1 | Clasificación según la forma |
Espiroqueta
Las bacterias, incluidas en el reino Monera, son organismos unicelulares que carecen de una organización interna bien definida. La bacteria Leptospirilla ichterohaemorrhagiae, fotografiada aquí, presenta una estructura espiral característica, llamada espiroqueta, que es común a más de 1.600 especies de bacterias.
La mayoría de las bacterias presentan forma de bastón, esfera o espiral. Las bacterias con forma de bastón reciben el nombre de bacilos. Las bacterias esféricas se llaman cocos y las que presentan forma espiral o en tirabuzón se denominan espirilos. Algunas bacterias tienen formas más complejas. Las espiroquetas son un tipo de bacterias con forma espiral. Entre los cocos son muy conocidos los estreptococos y los estafilococos, bacterias causantes de enfermedades.
| 2.2 | Bacterias aerobias y anaerobias |
Las bacterias se pueden clasificar también en función de si necesitan oxígeno o no para sobrevivir: las aerobias precisan oxígeno mientras que las anaerobias no. Las bacterias que viven en las grietas hidrotermales son anaerobias. Muchas especies anaerobias producen intoxicaciones alimentarias.
| 2.3 | Bacterias autótrofas y heterótrofas |
Respecto a la fuente de carbono que utilizan para nutrirse, las bacterias se pueden clasificar en autótrofas y heterótrofas. Las bacterias autótrofas (producen su propio alimento), lo obtienen del dióxido de carbono (CO2). Sin embargo, la mayoría de las bacterias son heterótrofas (no producen su propio alimento) y obtienen el carbono de nutrientes orgánicos como el azúcar. Algunas especies heterótrofas sobreviven como parásitos, creciendo dentro de otros organismos y utilizando tanto los nutrientes como la maquinaria celular de la célula huésped. Algunas bacterias autótrofas, como las cianobacterias, emplean la luz solar para producir azúcares a partir de CO2. Sin embargo, otras dependen de la energía liberada por la descomposición de compuestos químicos inorgánicos, como nitratos y compuestos de azufre.
| 2.4 | Bacterias Gram positivas y Gram negativas |
Tinción de Gram
La tinción de Gram se utiliza para identificar bacterias tratándolas con un tinte azul y observando cómo responden a esta coloración. La forma en que se colorean los distintos tipos de células depende de las variaciones de estructura de la pared celular. Las bacterias Gram positivas, como Lactobacillus acidophilus, retienen el tinte y se colorean de azul.
Otro sistema de clasificación de las bacterias utiliza las diferencias en la composición de su pared celular. El empleo de una técnica llamada tinción de Gram pone de relieve estas diferencias identificando las bacterias como Gram positivas y Gram negativas. Tras la tinción, las bacterias Gram positivas retienen el tinte y se colorean de violeta, mientras que las bacterias Gram negativas liberan el tinte y se tiñen de color rosado. Las especies Gram positivas tienen paredes celulares más gruesas que las Gram negativas. El conocimiento de si una enfermedad está originada por una bacteria Gram positiva o Gram negativa ayuda al médico a prescribir el antibiótico adecuado. Este método de identificación recibe el nombre de Hans Christian Joachim Gram, el médico danés que lo desarrolló en 1884.
| 3 | ESTRUCTURA |
Anatomía de una bacteria sencilla
Una bacteria simplificada está formada por tres capas externas que envuelven las estructuras internas; la capa pegajosa protege la pared celular rígida, que a su vez cubre la membrana celular semipermeable. El flagelo es un medio de locomoción y los pelos que se extienden por fuera de la cápsula ayudan a la bacteria a sujetarse a las superficies. El material genético está contenido en el ADN que forma el nucleoide. Los ribosomas que flotan en el citoplasma intervienen en la síntesis de proteínas.
Las células bacterianas son muy pequeñas, entre 1 y 10 micrómetros (µm) de longitud, y solo pueden observarse con ayuda de un microscopio.
Las bacterias son organismos procariotas, que carecen de núcleo verdadero, una característica que las diferencia de las células vegetales y animales. El núcleo de las plantas y de los animales contiene el material genético en forma de ácido desoxirribonucleico (ADN). El material genético de la célula bacteriana está formado también por ADN (generalmente circular) pero se encuentra en una región densa que no está separada del resto del citoplasma por ninguna membrana. Muchas bacterias poseen también pequeñas moléculas de ADN circulares llamadas plásmidos, que llevan información genética, pero, la mayoría de las veces, no resultan esenciales en la reproducción.
El citoplasma, además del material genético, contiene fundamentalmente agua, sustancias de reserva, proteínas y ribosomas. Sin embargo, las bacterias carecen de los orgánulos citoplasmáticos rodeados de membrana propios de los eucariontes, como mitocondrias, cloroplastos, aparato de Golgi, etc. La membrana plasmática es la envoltura que rodea al citoplasma, separando la célula del medio ambiente que la rodea y regulando el paso de materiales. En la membrana aparecen grandes repliegues, denominados mesosomas, que pueden intervenir en la división celular o en diversas reacciones químicas que liberan energía. Por fuera de la membrana, se localiza la pared bacteriana, rígida y resistente. Generalmente, la rigidez de la pared celular determina la forma de la célula bacteriana. Además, protege a la bacteria de la deshidratación y de los cambios que se producen en el medio que la rodea. En algunos casos, la pared celular también protege a la bacteria del ataque de las células del sistema inmunitario. En algunas células la pared es muy fina mientras que en otras es gruesa; la tinción de Gram permite distinguir entre estos dos tipos de paredes bacterianas. Algunas bacterias poseen, rodeando a la pared celular, una capa denominada vaina o cápsula bacteriana que es capaz de retener agua y que puede protegerlas también del ataque de los leucocitos.
No todas las bacterias tienen capacidad de movimiento, pero las que lo poseen se desplazan gracias a la presencia de apéndices filamentosos denominados flagelos. Estos pueden localizarse a lo largo de toda la superficie celular o en uno o ambos extremos de la célula, y pueden aparecer aislados o en grupo. Dependiendo de la dirección en que gire el flagelo, la bacteria puede moverse avanzando o agitándose en una dirección concreta. La duración de los movimientos de avance en relación con los de giro está asociada a receptores presentes en la membrana bacteriana; estas variaciones permiten a la bacteria acercarse a determinadas sustancias, como partículas alimenticias, y alejarse de aquellas condiciones ambientales adversas.
| 4 | FISIOLOGÍA |
Las células bacterianas, como todas las células, requieren nutrientes para llevar a cabo sus actividades vitales. Estos nutrientes deben ser solubles en agua para poder atravesar los poros de la pared celular y pasar a través de la membrana celular hasta el citoplasma. Sin embargo, muchas bacterias pueden digerir los alimentos sólidos liberando, en el medio que las rodea, sustancias químicas llamadas exoenzimas. Las exoenzimas ayudan a romper los alimentos sólidos en fragmentos hidrosolubles que la pared bacteriana puede absorber. Las células bacterianas utilizan los nutrientes para llevar a cabo diversas reacciones químicas indispensables para la vida, conocidas en conjunto con el nombre de metabolismo.
Las bacterias han explorado una gran cantidad de posibilidades metabólicas. Como ya se ha visto, hay bacterias que presentan un metabolismo aerobio y otras anaerobio. Algunas especies pueden alterar su metabolismo entre aerobio y anaerobio y, por ello, reciben el nombre de aerobias facultativas.
Además, las bacterias pueden ser autótrofas o heterótrofas. Dentro de las especies autótrofas, que utilizan el dióxido de carbono como fuente de carbono, puede distinguirse entre fotoautótrofas (o fotótrofas) y quimioautótrofas (o quimiolitótrofas o quimiosintéticas). Las primeras realizan la fotosíntesis y utilizan la luz solar como fuente de energía. Las cianobacterias presentan clorofila, como las algas verdes, para llevar a cabo la fotosíntesis y liberar oxígeno. De hecho, fueron las responsables de la transformación de la atmósfera terrestre primigenia. Otras bacterias fotosintéticas utilizan un pigmento fotosintético distinto, la bacterioclorofila, y no liberan oxígeno. Las bacterias quimioautótrofas obtienen la energía, no de la luz, sino de la oxidación de sustancias inorgánicas. En este grupo de bacterias se incluyen las bacterias del suelo que juegan un papel fundamental en los ciclos biogeoquímicos (ciclo del carbono, ciclo del nitrógeno y ciclo del azufre, entre otros).
Las bacterias heterótrofas (que utilizan compuestos orgánicos como fuente de carbono), a su vez, pueden ser fotoheterótrofas o quimioheterótrofas. Las primeras obtienen sus átomos de carbono de compuestos orgánicos fabricados por otros organismos y obtienen la energía de la luz solar. Las quimioheterótrofas obtienen tanto sus átomos de carbono como su energía de uno o varios compuestos orgánicos. La mayoría de las bacterias pertenecen a este grupo. Según su modo de vida las bacterias heterótrofas pueden ser saprofitas, simbiontes o parásitas. Las saprofitas viven sobre los cuerpos muertos de animales y vegetales, y son importantes porque descomponen los cuerpos de las plantas y animales muertos en sus componentes esenciales, haciéndolos accesibles para ser utilizados como alimento por las plantas. Muchas bacterias viven en simbiosis con animales o plantas. Las bacterias parásitas, el tercer tipo, viven en el interior de los animales o plantas provocándoles daños; son las bacterias patógenas responsables de muchas enfermedades.
| 5 | REPRODUCCIÓN |
División de una bacteria
Cuando las bacterias y otras células alcanzan un tamaño y un metabolismo crítico, se dividen y forman dos células hijas idénticas; cada una de éstas recibe aproximadamente la mitad de la masa celular de la célula original, y comienzan a crecer. Una bacteria puede llegar a dividirse cada seis minutos, y formar con rapidez una colonia que es visible para el ojo humano.
Las bacterias se reproducen con mucha rapidez. En algunas especies la replicación en condiciones óptimas se lleva a cabo tan solo en unos 15 minutos. Una célula bacteriana puede convertirse en dos en 15 minutos, en cuatro en 30, en ocho en 45 y así sucesivamente. De ese modo, las bacterias podrían cubrir con rapidez la faz de la Tierra si el suministro de nutrientes fuese ilimitado. Sin embargo, en ausencia de nutrientes suficientes, muchas bacterias forman esporas latentes que sobreviven hasta que disponen de nuevo de alimento. La formación de esporas hace posible también que las bacterias sobrevivan en determinadas condiciones adversas.
| 5.1 | Fisión binaria |
Las células bacterianas se dividen por fisión o bipartición; la bacteria aumenta de tamaño hasta casi duplicar su tamaño inicial y el material genético se duplica; luego, la bacteria se estrecha por la mitad y tiene lugar la división completa formándose dos células hijas idénticas a la célula madre.
En primer lugar, el ADN bacteriano (que está anclado a un mesosoma) se replica, y se forman todas las moléculas que necesita la nueva célula. La nueva molécula de ADN se une a otro mesosoma nuevo. La membrana crece separando las dos moléculas de ADN. En la zona central de la célula, la membrana celular se invagina hacia el centro y se cierra para, finalmente, dividir a la célula en dos de tamaño muy similar, formándose una nueva pared celular entre las membranas.
| 5.2 | Formación de esporas |
En respuesta a la escasez de nutrientes u otras condiciones adversas, muchas bacterias sobreviven mediante la formación de esporas que resisten las condiciones extremas del medio, como la deshidratación, el calor o los productos químicos tóxicos. Las esporas preservan el ADN bacteriano y permanecen vivas pero inactivas. Cuando las condiciones mejoran, las esporas comienzan a desarrollarse y las bacterias se activan de nuevo.
Las esporas mejor estudiadas se forman en las bacterias Bacillus y Clostridium y se conocen como endosporas, porque son estructuras intracelulares. Las esporas del Clostridium botulinum originan el botulismo, una intoxicación que puede ser mortal. Las endosporas tienen cubiertas gruesas y pueden resistir las condiciones adversas del medio, especialmente el calor. Las endosporas pueden sobrevivir durante siglos en estado latente.
| 5.3 | Intercambio genético |
Con frecuencia, las células bacterianas pueden sobrevivir mediante el intercambio de ADN con otras células y la adquisición de nuevos rasgos, como la resistencia a un antibiótico dirigido a destruirlas. La forma más simple de intercambio de ADN es la transformación bacteriana, un proceso mediante el cual las células bacterianas toman ADN ajeno del medio en el que viven y lo incorporan a su propio ADN. El ADN del medio puede proceder de células muertas. Cuanto más parecido sea este ADN al de la célula bacteriana más sencilla es su incorporación.
Otro método de intercambio de información genética es la transducción o transferencia de material genético de una bacteria a otra a través de virus bacterianos o bacteriófagos. Cuando el virus infecta la célula bacteriana, se pueden formar, accidentalmente, junto con los bacteriófagos normales, fagos que contengan el ADN bacteriano. Cuando estos virus infectan otra bacteria, el ADN de la primera bacteria se integra en el material genético de la bacteria receptora.
La transformación y la transducción generalmente transfieren solo pequeñas cantidades de ADN, si bien los especialistas en genética bacteriana han intentado incrementar estas cantidades. Muchas bacterias son capaces también de transferir grandes cantidades de ADN, incluso el genoma completo (conjunto de genes), mediante contacto físico. Por lo general, la célula donante crea una copia del ADN durante el proceso de transferencia de manera que no es destruida. Este método de intercambio recibe el nombre de conjugación. El intercambio de ADN permite a la bacteria que ha desarrollado genes de resistencia a antibióticos propagar con rapidez su resistencia a otras bacterias.
| 6 | IMPORTANCIA DE LAS BACTERIAS |
La mayor parte de nuestra experiencia con las bacterias está relacionada con las especies patógenas. Aunque algunas bacterias causan enfermedades, otras muchas viven sobre la superficie o en el interior del cuerpo humano y previenen las enfermedades. Además, las bacterias desempeñan funciones esenciales en el medio ambiente y en la industria.
| 6.1 | Las bacterias y la salud |
Muchas bacterias son patógenas y originan numerosas enfermedades en los seres humanos. Las bacterias son la causa de muchos casos de gastroenteritis pero, tal vez, la enfermedad bacteriana más frecuente sea la caries dental. La placa dental, una biopelícula que se adhiere a los dientes, crea un medio idóneo para el crecimiento de distintas bacterias. Estas fermentan (descomponen) el azúcar que consumimos y producen ácidos que con el tiempo pueden disolver el esmalte y producir cavidades. La caries es un buen ejemplo de cómo múltiples factores contribuyen a desencadenar una enfermedad bacteriana. El cuerpo humano alberga las bacterias, la dieta proporciona los azúcares y las bacterias producen el ácido que daña los dientes. Otras bacterias que originan enfermedades son las causantes del cólera, del tétanos, de la gangrena gaseosa, de la lepra, de la peste, de la disentería bacilar, de la tuberculosis, de la sífilis, de la fiebre tifoidea, de la difteria, de la fiebre ondulante o brucelosis, y de muchas formas de neumonía.
Caries dental
Vista del interior de la boca mostrando caries dentales, o cavidades, que aparecen como zonas negras sobre los dientes anteriores. El término caries dental se refiere a la destrucción, o necrosis, de los dientes por la acción bacteriana. Las cavidades han sido rellenadas en los dientes posteriores para evitar una lesión dental mayor.
Los efectos patógenos provocados por las bacterias en los tejidos pueden agruparse en las cuatro clases siguientes: (1) efectos provocados por la acción directa local de la bacteria sobre los tejidos, como en la gangrena gaseosa causada por Clostridium perfringens; (2) efectos mecánicos, como cuando un grupo de bacterias bloquea un vaso sanguíneo y causa un émbolo infeccioso; (3) efectos de respuesta del organismo ante ciertas infecciones bacterianas en los tejidos, como las cavidades formadas en los pulmones en la tuberculosis, o la destrucción de tejido en el corazón por los propios anticuerpos del organismo en las fiebres reumáticas; (4) efectos provocados por toxinas producidas por las bacterias, sustancias químicas que resultan tóxicas en algunos tejidos. Las toxinas son, en general, específicas de cada especie; por ejemplo, la toxina responsable de la difteria es diferente de la responsable del cólera.
| 6.1.1 | Bacterias que viven en el cuerpo humano |
Cultivos bacterianos
Colonias de bacterias Escherichia coli (más grande, rosa) y Proteus vulgaris (más pequeña, de color castaño) que crecen juntas en una placa Petri. En circunstancias normales estas bacterias son inofensivas y habitan en el intestino humano favoreciendo la digestión, si bien pueden convertirse en patógenas y producir infecciones del tracto urinario. Los científicos y médicos llevan a cabo cultivos bacterianos y estudian sus características con el fin de adquirir conocimientos respecto a las enfermedades bacterianas y su prevención.
Los grupos de bacterias forman sobre muchas superficies corporales lo que se denominan biopelículas. Las biopelículas recubren los dientes pero también los tejidos blandos de la boca y de la superficie interna de la nariz, los senos paranasales, la garganta, el estómago y los intestinos. Incluso en la piel existen comunidades bacterianas que se extienden a los folículos pilosos. Las comunidades de bacterias difieren en cada zona del cuerpo, reflejando las condiciones del medio presentes en cada región específica. Por ejemplo, las bacterias que habitan la superficie del estómago deben enfrentarse a la extrema acidez del jugo gástrico.
Algunas regiones del interior del cuerpo humano son estériles, es decir, carentes de organismos vivos a excepción de las propias células corporales. Las regiones estériles comprenden los músculos, la sangre y el sistema nervioso. Sin embargo, incluso estas regiones se defienden constantemente de la invasión de bacterias. El sistema inmunitario está diseñado para eliminar del organismo a estos microorganismos invasores.
El equilibrio de las comunidades bacterianas es extremadamente importante para la salud. Algunas nos protegen de enfermedades causadas por microorganismos que en su ausencia nos infectarían. Los animales que se desarrollan en un medio completamente libre de microorganismos, sin ningún contacto con bacterias, son muy susceptibles de padecer enfermedades infecciosas si se exponen al mundo exterior. Las bacterias presentes en nuestro organismo también nos proporcionan nutrientes, como por ejemplo la vitamina K que nuestro cuerpo no puede fabricar. Las comunidades de bacterias y otros microorganismos que viven en el cuerpo humano reciben el nombre de microflora o microbiota.
| 6.1.2 | Bacterias causantes de enfermedades |
Estreptococo
Esta micrografía electrónica ilustra unas bacterias del género Streptococcus, muchas de las cuales resultan patógenas para los seres humanos. Suelen transmitirse por vía aérea en hospitales, escuelas y otros lugares públicos y algunas especies son responsables de infecciones como la faringitis, la escarlatina y algunos tipos de neumonía.
En la mayoría de los casos, las bacterias que causan enfermedades no forman parte de aquellas que normalmente viven en nuestro organismo. Por lo general, estas bacterias están presentes en personas o animales enfermos, agua o alimentos contaminados, u otras fuentes externas. Las enfermedades bacterianas aparecen tras una intervención quirúrgica, un accidente, o cualquier otra causa que debilite el sistema inmunitario.
Cuando el sistema inmunitario no funciona correctamente, las bacterias, que en otras circunstancias son inofensivas, pueden invadir el cuerpo y causar enfermedades. Estos organismos reciben el nombre de ‘oportunistas’ porque causan enfermedades solo cuando se presenta una oportunidad. Las enfermedades oportunistas han adquirido gran importancia a finales del siglo XX debido a enfermedades como el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA), una enfermedad vírica que afecta al sistema inmunitario. Otro factor que ha contribuido al aumento de las infecciones oportunistas es el uso muy extendido de fármacos anticancerosos y otros que dañan el sistema inmunitario.
Algunas infecciones graves se deben a la exposición a bacterias que no forman parte de la flora bacteriana. Este es el caso del cólera, una enfermedad causada por la bacteria Vibrio cholerae, que se contagia por contacto directo con personas enfermas o a través del agua y los alimentos contaminados; o de la tuberculosis, una enfermedad pulmonar originada por la bacteria Mycobacterium tuberculosis, responsable de más de dos millones de defunciones cada año en todo el mundo.
Mientras que el cólera o la tuberculosis han estado presentes en la historia de la humanidad durante siglos, en las últimas décadas se han descrito enfermedades bacterianas nuevas. Así, por ejemplo, la enfermedad del legionario, una forma de neumonía grave, fue descrita por primera vez en 1976 y su agente causante, Legionella pneumophila, resultó ser una bacteria desconocida hasta entonces.
| 6.2 | Las bacterias y el medio ambiente |
Las bacterias desempeñan un papel importante en el reciclado de muchos elementos y compuestos químicos en la naturaleza. En ausencia de dichas actividades bacterianas, la vida en la Tierra no sería posible. Las basuras y los desperdicios nos inundarían si las bacterias no acelerasen la descomposición de las plantas y animales muertos. Como resultado de su actividad, los restos de sustancias orgánicas de las plantas y los animales se descomponen en partículas inorgánicas. Este mecanismo es una fuente importante de alimento para las plantas. Además, las leguminosas enriquecen el suelo al incrementar el contenido de nitrógeno gracias a la ayuda de la especie Rhizobium radicicola y de otra bacteria que infecta las raíces de las plantas y origina nódulos de fijación de nitrógeno. El proceso fotosintético en que se basan las plantas fue, casi con certeza, desarrollado en primer lugar en las bacterias.
| 6.2.1 | Fijación de nitrógeno |
Las bacterias desempeñan una función muy importante en la fertilidad del suelo. Estos microorganismos convierten el nitrógeno atmosférico en amoníaco, un compuesto nitrogenado que las plantas necesitan para crecer; son los únicos organismos capaces de realizar este proceso bioquímico que recibe el nombre de fijación de nitrógeno. Las bacterias capaces de fijar el nitrógeno atmosférico suelen vivir en asociación con las plantas. Por ejemplo, las bacterias del género Rhizobium, forman nódulos en las raíces de las judías y otras plantas de la familia de las leguminosas.
| 6.2.2 | El ciclo del carbono |
Ciclo del carbono
El carbono, vital para todos los seres vivos, circula de manera continua en el ecosistema terrestre. En la atmósfera existe en forma de dióxido de carbono, que emplean las plantas en la fotosíntesis. Los animales usan el carbono de las plantas y liberan dióxido de carbono, producto del metabolismo. Aunque parte del carbono desaparece de forma temporal del ciclo en forma de carbón, petróleo, combustibles fósiles, gas y depósitos calizos, la respiración y la fotosíntesis mantienen prácticamente estable la cantidad de carbono atmosférico. La industrialización aporta dióxido de carbono adicional al medio ambiente.
Las bacterias y los hongos (levaduras y mohos) son esenciales para otro proceso que hace posible la vida en la Tierra: el ciclo del carbono. Estos organismos ayudan a producir el dióxido de carbono (CO2) que las plantas toman de la atmósfera. Mediante la fotosíntesis, las plantas convierten la luz solar y el CO2 en alimento y energía, liberando oxígeno a la atmósfera.
El ciclo del carbono continúa una vez que las plantas y los animales mueren cuando las bacterias ayudan a convertir la materia que forma estos organismos de nuevo en CO2. Las bacterias y los hongos secretan enzimas que rompen parcialmente la materia muerta. La digestión final de esta materia tiene lugar en las células bacterianas y fúngicas a través de procesos de fermentación y respiración. El CO2 liberado en estos procesos regresa a la atmósfera para reanudar el ciclo.
| 6.2.3 | Quimiosíntesis |
Las bacterias desempeñan una función fundamental en los ciclos de otros elementos en el medio ambiente. Las bacterias quimiosintéticas emplean la energía química presente en los compuestos inorgánicos, en lugar de la energía de la luz utilizada por las plantas, para transformar el CO2 en diferentes moléculas orgánicas de las que otros organismos pueden alimentarse. La quimiosíntesis tiene lugar en las grietas hidrotermales del fondo de los océanos, donde no se dispone de luz para llevar a cabo la fotosíntesis pero donde hay grandes cantidades de sulfuro de hidrógeno, H2S. Alrededor de estas grietas hidrotermales puede desarrollarse vida porque las bacterias utilizan el H2S en la transformación de CO2 en nutrientes orgánicos. Además, estas bacterias están adaptadas a las altas temperaturas que existen en esos manantiales del fondo oceánico. La capacidad de las bacterias de reaccionar químicamente con los compuestos de azufre es también útil en ciertos procesos industriales.
| 6.2.4 | Biorremediación |
La biorremediación hace referencia al empleo de microorganismos, en especial bacterias, para devolver los elementos presentes en los tóxicos químicos a sus ciclos naturales en la naturaleza. Este proceso es un método barato y eficaz de limpieza del medio ambiente, uno de los principales retos a los que se enfrenta la sociedad hoy en día.
La biorremediación se ha utilizado en la limpieza de vertidos de petróleo, pesticidas y otros materiales tóxicos. Por ejemplo, los accidentes en los que están implicados tanques de petróleo gigantescos originan por lo general importantes vertidos que contaminan las costas y dañan la fauna. Las bacterias y otros microorganismos pueden convertir los materiales tóxicos del crudo de petróleo en productos menos dañinos como CO2. La adición de fertilizantes que contienen nitrógeno, fósforo y oxígeno a las áreas contaminadas estimula la multiplicación de las bacterias ya presentes en el medio y acelera el proceso de limpieza.
| 6.3 | Las bacterias en la agricultura y en la industria |
Muchos de los beneficios que se obtienen de las bacterias en la agricultura han sido descritos en la sección anterior. Mediante el reciclado de ciertos elementos y compuestos químicos, las bacterias hacen posible la vida de las plantas y de los animales. Las bacterias tienen también numerosas aplicaciones en la industria. En las últimas décadas, los científicos han empleado la ingeniería genética bacteriana para producir sustancias muy demandadas, como la insulina humana, que se utilizan en el tratamiento de enfermedades.
| 6.3.1 | Las bacterias en la agricultura y en la ganadería |
Mediante el proceso de fijación del nitrógeno, las bacterias convierten el nitrógeno atmosférico en nitrógeno orgánico que las plantas necesitan para crecer. Algunas de las bacterias fijadoras de nitrógeno se asocian a las raíces de las plantas. Mediante el ciclo del carbono, las bacterias producen el dióxido de carbono que las plantas precisan para realizar la fotosíntesis. Las bacterias que viven en el estómago de los rumiantes, como las vacas o las ovejas, ayudan a los animales a digerir la celulosa y otros polisacáridos presentes en los vegetales de los que se alimentan.
Las bacterias también pueden ser nocivas para la ganadería, ya que son responsables de graves enfermedades en los animales de granja. Muchas de las especies que causan enfermedades infecciosas en los animales de granja se parecen a aquellas que originan enfermedades similares en los seres humanos. Por ejemplo, una bacteria parecida a la que causa la tuberculosis humana produce tuberculosis en el ganado y puede infectar a los seres humanos a través de la leche de vaca. Para evitar la transmisión de esta enfermedad, la leche destinada al consumo humano debe pasteurizarse (calentarse a una temperatura entre 55º y 70ºC) durante un periodo de tiempo corto. La pasteurización elimina la mayoría de las bacterias de la leche.
| 6.3.2 | Las bacterias en la industria alimentaria |
Las bacterias tienen una gran importancia en la industria alimentaria. Por una parte, deterioran los alimentos y producen enfermedades de origen alimentario, razón por la cual deben ser controladas. Las bacterias están implicadas en la descomposición o deterioro de la carne, el vino, las verduras, la leche y otros productos de consumo diario. La acción de las bacterias puede originar cambios en la composición de algunos alimentos, provocando un mal sabor, y puede ocasionar intoxicaciones alimentarias. Por otra parte, las bacterias potencian las propiedades nutritivas y el sabor de los alimentos y resultan de gran importancia en muchas industrias. La capacidad fermentadora de ciertas especies es aprovechada en la producción de queso, yogur, adobos y salazones. También resultan importantes en el curtido de cueros, la producción de tabaco, la conservación del grano, los tejidos, los fármacos, y en la elaboración de varios tipos de enzimas, polisacáridos y detergentes.
La industria láctea proporciona excelentes ejemplos de las ventajas y desventajas de las bacterias. Antes de la introducción de la pasteurización a finales del siglo XIX, los productos lácteos eran los principales portadores de bacterias causantes de enfermedades como la tuberculosis y la fiebre reumática. Desde entonces, la regulación de esta industria ha reducido mucho el riesgo de infecciones derivadas de los productos lácteos. En relación a los beneficios que aportan las bacterias, hay que destacar el empleo de estos microorganismos en la fermentación láctica para la fabricación de numerosos productos lácteos como el yogur, la mantequilla o el queso. Las bacterias producen ácido láctico, el cual agria la leche, dificulta el crecimiento de bacterias productoras de enfermedades y proporciona un sabor deseable al yogur. El queso se obtiene también mediante fermentación. En primer lugar, las bacterias fermentan el azúcar de la leche a ácido láctico y a continuación, los fabricantes de queso introducen diferentes microorganismos para obtener los sabores deseados. El proceso es complicado y completarlo puede llevar meses e incluso años, pero aporta a los quesos su sabor característico.
La variedad de alimentos fermentados que consumimos varía desde conservas, aceitunas y chucrut hasta salchichas y otras carnes y pescados curados, chocolate, salsa de soja y otros productos. En la mayoría de estas fermentaciones las bacterias productoras de ácido láctico desempeñan una función destacada. Las levaduras son los principales microorganismos responsables de la fermentación alcohólica necesaria para la fabricación de cervezas y vinos, aunque las bacterias ácido lácticas también están implicadas especialmente en la fabricación del vino o la sidra. Las bacterias que producen ácido acético pueden convertir el vino, la sidra u otras bebidas alcohólicas en vinagre.
| 6.3.3 | Las bacterias en el tratamiento de residuos |
Las bacterias son muy importantes en el tratamiento de las aguas residuales. El tratamiento habitual comprende múltiples procesos. Por lo general, comienza mediante un proceso de sedimentación en el que los materiales más pesados se depositan en el fondo. A continuación se borbotea aire en esas aguas residuales. Este proceso recibe el nombre de fase aeróbica y favorece que las bacterias que utilizan oxígeno fragmenten la materia orgánica en ácidos y CO2. En esta fase se eliminan también la mayoría de los organismos causantes de enfermedades. Los sedimentos de las aguas residuales son tratados en una fase posterior con bacterias anaerobias. Estas bacterias fragmentan los sedimentos produciendo metano, el cual puede ser utilizado como combustible para el funcionamiento de las instalaciones de las plantas de tratamiento. Actualmente, la fase anaeróbica precede algunas veces a la fase aeróbica.
Las bacterias también son eficaces, como ya se ha visto, en la limpieza de contaminantes mediante biorremediación. En este proceso las bacterias y otros microorganismos convierten sustancias tóxicas o indeseables, como pesticidas o vertidos de petróleo, en productos menos dañinos o incluso útiles.
| 6.3.4 | Las bacterias en la biotecnología |
Las bacterias participan también en los recientes avances obtenidos en biotecnología -la creación de productos para beneficio humano mediante la manipulación de organismos. La biotecnología se inició al menos en épocas tan remotas como la civilización del Antiguo Egipto. En las pinturas de las paredes de las tumbas egipcias se representa la elaboración de cerveza, en cuyo proceso de fermentación se emplean microorganismos. Sin embargo, la existencia de bacterias no se conoció hasta finales del siglo XVII, cuando se inventaron microscopios con potencia suficiente. Durante los siglos posteriores, los científicos comprobaron que los organismos vivos eran responsables de muchos procesos biotecnológicos.
La biotecnología ha mantenido un desarrollo continuo durante el siglo XX y XXI. En la década de 1970 los científicos aprovecharon la información sobre replicación de virus y bacterias, y sobre síntesis de ADN, para iniciar la ingeniería genética de células bacterianas. Cuando los científicos combinaron el ADN humano con el ADN de las células bacterianas, surgió la tecnología del ADN recombinante. El ADN contiene las instrucciones para sintetizar proteínas y los científicos utilizaron las bacterias como fábricas productoras de proteínas humanas, como la hormona insulina o los anticuerpos que combaten las enfermedades. Gracias a su rápida multiplicación, las bacterias producen un gran número de copias de proteínas en un periodo corto de tiempo. Este proceso de extracción de información genética de un organismo para introducirla en otro diferente fue patentado por los bioquímicos americanos Stanley Cohen y Herbert Boyer en 1980. La revolución genética estaba en camino.
| 6.3.5 | Otras aplicaciones en la industria |
Las bacterias también participan en la elaboración de otros productos, como ciertos plásticos y enzimas utilizados en los detergentes, y en la producción de muchos antibióticos, como la estreptomicina y la tetraciclina. A partir de la década de 1980 las bacterias adquirieron importancia en la producción de muchas sustancias químicas, como el etanol. La obtención de productos químicos mediante bacterias y otros microorganismos es menos contaminante para el medio ambiente que la producción química convencional. El desarrollo de la ingeniería genética ha allanado el camino para un uso más frecuente de las bacterias en la fabricación industrial a gran escala y en procesos más respetuosos con el medio ambiente.
| 6.3.6 | El control del crecimiento de las bacterias |
La esterilización y la desinfección, procesos destinados a la destrucción de microorganismos, son indispensables en la industria alimentaria. Por ejemplo, el enlatado comprende el calentamiento de los alimentos a temperaturas de 121 ºC para eliminar los microorganismos, incluyendo las células bacterianas más resistentes al calor. El fracaso en la destrucción de las bacterias y de las esporas que producen puede provocar una enfermedad mortal como el botulismo. Si las esporas de la bacteria Clostridium botulinum no son destruidas, pueden desarrollarse en las latas de alimentos y producir una toxina que afecta al sistema nervioso. La toxina botulínica es una de las más letales que se conocen.
La demanda de métodos más eficaces de esterilización y desinfección en la medicina y la industria ha aumentado a partir de la década de 1970 debido al temor a la propagación de la infección del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) y de otros microorganismos causantes de enfermedades. Se han desarrollado una amplia gama de productos dirigidos a eliminar bacterias y otros microorganismos.
| 7 | CLASIFICACIÓN |
Los científicos han encontrado siempre muchas dificultades para clasificar las bacterias atendiendo a las relaciones que existen entre ellas y con otros seres vivos. Debido a su pequeño tamaño, resultaba casi imposible identificar estructuras características internas o externas que facilitasen su clasificación. En el sistema de clasificación en cinco reinos, las bacterias se incluían en el reino Móneras, que incluye a los organismos procariotas.
| 7.1 | Un nuevo sistema de clasificación |
Arquebacteria
Las arquebacterias constituyen un grupo de bacterias adaptado a vivir en condiciones extremas. La especie Methanospirillum hungatii es una arquebacteria metanogénica Gram negativa presente en ambientes carentes de oxígeno. Estas bacterias producen metano a partir de dióxido de carbono e hidrógeno. En la fotografía aparece la bacteria en fase de escisión, es decir, mientras se está dividiendo para dar lugar a dos células hijas.
Carl Woese, un microbiólogo de la Universidad de Illinois descubrió que era más fácil trabajar con ácidos nucleicos como el ADN o el ARN, y comparó las moléculas de ácido ribonucleico de los ribosomas (ARNr). Los ribosomas son estructuras celulares encargadas de la síntesis de proteínas. Fue relativamente sencillo obtener ARNr para identificar sus nucleótidos y determinar su orden en la molécula. El ARN ha demostrado ser una herramienta excelente para determinar las relaciones evolutivas porque varía relativamente poco de una generación a la siguiente.
La filogenia molecular estableció tres grupos principales de organismos, que Woese llamó dominios. Un dominio llamado Eukarya (Eucariota), que comprende todos los organismos con un núcleo verdadero y que incluye todas las plantas y los animales, y otros dos dominios, que recibieron el nombre de Archaea y Bacteria, formados por organismos procariotas sin núcleo verdadero. Anteriormente las arquebacterias, que componen el dominio Archaea, fueron clasificadas con las bacterias dentro del reino Móneras.
La clasificación de los organismos procariotas en dos dominios, el sistema propuesto por Woese, está basada casi por completo en la estructura del ARN ribosómico y resulta coherente con otros hallazgos relativos a las estructuras básicas, su metabolismo y su evolución.
No hay comentarios :
Publicar un comentario