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Biogeografía microbiana

La biogeografía microbiana es una rama de la biogeografía , campo que estudia la distribución de los organismos en el espacio y el tiempo. [ 1 ] Si bien tradicionalmente la biog...

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La biogeografía microbiana es una rama de la biogeografía , campo que estudia la distribución de los organismos en el espacio y el tiempo. [ 1 ] Si bien tradicionalmente la biogeografía se centraba en las plantas y los animales de mayor tamaño, estudios recientes han ampliado este campo para incluir los patrones de distribución de los microorganismos . Esta extensión de la biogeografía a escalas menores —conocida como «biogeografía microbiana»— es posible gracias a los avances en las tecnologías genéticas.

El objetivo de la biogeografía microbiana es revelar dónde viven los microorganismos, en qué abundancia y por qué. Por lo tanto, la biogeografía microbiana puede brindar información sobre los mecanismos subyacentes que generan y limitan la biodiversidad . [ 2 ] La biogeografía microbiana también permite predecir dónde pueden sobrevivir ciertos organismos y cómo responden a los cambios ambientales, lo que la hace aplicable a otros campos, como la investigación sobre el cambio climático.

Historia

Schewiakoff (1893) teorizó sobre el hábitat cosmopolita de los protozoos de vida libre. [ 3 ] En 1934, Lourens Baas Becking , basándose en su propia investigación en los lagos salados de California, así como en el trabajo de otros en lagos salados de todo el mundo, [ 4 ] concluyó que "todo está en todas partes, pero el ambiente selecciona". [ 5 ] Baas Becking atribuyó la primera parte de esta hipótesis a su colega Martinus Beijerinck (1913). [ 6 ] [ 7 ]

La hipótesis de Baas Becking sobre la distribución microbiana cosmopolita sería posteriormente cuestionada por otros trabajos. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

Biogeografía microbiana frente a biogeografía macroorganísmica

La biogeografía de los macroorganismos (es decir, plantas y animales que se pueden ver a simple vista) se estudia desde el siglo XVIII. En el caso de los macroorganismos, los patrones biogeográficos (es decir, qué conjuntos de organismos aparecen en lugares y momentos específicos) parecen derivarse tanto de entornos pasados ​​como actuales. Por ejemplo, los osos polares viven en el Ártico pero no en la Antártida , mientras que ocurre lo contrario con los pingüinos ; aunque tanto los osos polares como los pingüinos se han adaptado a climas fríos a lo largo de muchas generaciones (resultado de entornos pasados), la distancia y los climas más cálidos entre los polos norte y sur impiden que estas especies se extiendan al hemisferio opuesto (resultado de entornos actuales). Esto demuestra el patrón biogeográfico conocido como "aislamiento por distancia geográfica", según el cual la limitada capacidad de una especie para dispersarse físicamente en el espacio (en lugar de razones genéticas selectivas ) restringe el área geográfica en la que se puede encontrar.

La biogeografía de los microorganismos (es decir, organismos que no se pueden ver a simple vista, como hongos y bacterias) es un campo emergente impulsado por los avances en las tecnologías genéticas, en particular la secuenciación de ADN, más económica y con mayor rendimiento, que ahora permite el análisis de conjuntos de datos globales sobre biología microbiana a nivel molecular. Cuando los científicos comenzaron a estudiar la biogeografía microbiana, anticiparon la ausencia de patrones biogeográficos debido a la alta capacidad de dispersión y al gran tamaño de las poblaciones microbianas, lo que, en última instancia, hacía irrelevante la distancia geográfica. De hecho, en ecología microbiana, la frase de Lourens Baas Becking, a menudo repetida , de que "todo está en todas partes, pero el ambiente selecciona", ha llegado a significar que, siempre que el ambiente sea ecológicamente adecuado, las barreras geológicas son irrelevantes. [ 12 ] Sin embargo, estudios recientes muestran evidencia clara de patrones biogeográficos en la vida microbiana, lo que desafía esta interpretación común: la existencia de patrones biogeográficos microbianos refuta la idea de que "todo está en todas partes" al tiempo que apoya la idea de que la selección ambiental incluye la geografía, así como eventos históricos que pueden dejar huellas duraderas en las comunidades microbianas. [ 2 ]

Los patrones biogeográficos microbianos suelen ser similares a los de los macroorganismos. Los microbios generalmente siguen patrones bien conocidos, como la relación de decaimiento con la distancia , la relación abundancia-rango y la regla de Rapoport . [ 13 ] [ 14 ] Esto es sorprendente dadas las muchas disparidades entre microorganismos y macroorganismos, en particular su tamaño ( micrómetros vs. metros), tiempo entre generaciones (minutos vs. años) y dispersibilidad (global vs. local). Sin embargo, existen diferencias importantes entre los patrones biogeográficos de microorganismos y macroorganismos, y probablemente resultan de diferencias en sus procesos biogeográficos subyacentes (por ejemplo, deriva, dispersión , selección y mutación ). Por ejemplo, la dispersión es un proceso biogeográfico importante tanto para microbios como para organismos más grandes, pero los microbios pequeños pueden dispersarse a través de rangos mucho mayores y a velocidades mucho mayores viajando a través de la atmósfera (para animales más grandes la dispersión está mucho más restringida debido a su tamaño). [ 2 ] Como resultado, muchas especies microbianas se pueden encontrar tanto en el hemisferio norte como en el sur, mientras que los animales más grandes generalmente se encuentran solo en un polo en lugar de en ambos. [ 15 ] Además, los microorganismos, como las bacterias, se ven afectados por condiciones a escalas muy pequeñas que pueden diferir de las escalas que normalmente se consideran para los macroorganismos. Por ejemplo, la diversidad bacteriana del suelo está determinada por el aporte de carbono y la conectividad en los hábitats acuáticos a microescala. [ 16 ]

Patrones distintos

Gradientes de diversidad latitudinal invertidos y no monótonos

Los organismos más grandes tienden a exhibir gradientes latitudinales en diversidad de especies , con mayor biodiversidad en los trópicos y disminuyendo hacia las regiones polares más templadas. En contraste, estudios sobre comunidades fúngicas de interiores [ 14 ] y microbiomas de suelos superficiales globales [ 17 ] encontraron que la biodiversidad microbiana es significativamente mayor en zonas templadas que en los trópicos. Curiosamente, diferentes edificios exhibieron la misma composición fúngica interior en cualquier ubicación dada, donde la similitud aumentaba con la proximidad. [ 14 ] Por lo tanto, a pesar de los esfuerzos humanos por controlar los climas interiores, los ambientes exteriores parecen ser el determinante más fuerte de la composición fúngica interior. [ 14 ] Por otro lado, el fuerte patrón biogeográfico de las bacterias del suelo se atribuye típicamente a cambios en factores ambientales como el pH del suelo. [ 18 ] [ 19 ] Sin embargo, el pH del suelo puede ser un proxy biogeográfico [ 18 ] que se ve afectado por un balance hídrico climático del suelo, [ 20 ] que media los aportes de carbono y la conectividad de los hábitats acuosos bacterianos. [ 16 ] [ 21 ]

Distribuciones latitudinales bipolares

Ciertas poblaciones microbianas existen en hemisferios opuestos y en latitudes complementarias. Estas distribuciones «bipolares» (o «antitropicales») son mucho más raras en los macroorganismos; si bien estos presentan gradientes latitudinales, el «aislamiento por distancia geográfica» impide las distribuciones bipolares (por ejemplo, los osos polares no se encuentran en ambos polos). En contraste, un estudio sobre bacterias de la superficie marina [ 15 ] mostró no solo un gradiente latitudinal, sino también distribuciones complementarias con poblaciones similares en ambos polos, lo que sugiere la ausencia de «aislamiento por distancia geográfica». Esto probablemente se deba a diferencias en el proceso biogeográfico subyacente, la dispersión, ya que los microbios tienden a dispersarse a altas tasas y a grandes distancias viajando a través de la atmósfera.

Variaciones estacionales

La diversidad microbiana puede presentar patrones estacionales sorprendentes en una misma ubicación geográfica. Esto se debe principalmente a la latencia, una característica microbiana que no se observa en animales más grandes y que permite que la composición de la comunidad microbiana fluctúe en la abundancia relativa de especies persistentes (en lugar de las especies presentes). Esto se conoce como la "hipótesis del banco de semillas" [ 22 ] y tiene implicaciones para nuestra comprensión de la resiliencia ecológica y los umbrales de cambio. [ 23 ]

Aplicaciones

panspermia dirigida

La panspermia sugiere que la vida puede distribuirse por todo el espacio exterior a través de cometas , asteroides y meteoroides . La panspermia asume que la vida puede sobrevivir al duro entorno espacial, que se caracteriza por condiciones de vacío, radiación intensa, temperaturas extremas y escasez de nutrientes disponibles. Muchos microorganismos son capaces de evadir tales factores de estrés mediante la formación de esporas o entrando en un estado de latencia metabólica baja. [ 24 ] Estudios en biogeografía microbiana han demostrado incluso que la capacidad de los microbios para entrar y salir con éxito de la latencia cuando sus respectivas condiciones ambientales son favorables contribuye a los altos niveles de biodiversidad microbiana observados en casi todos los ecosistemas . [ 25 ] Por lo tanto, la biogeografía microbiana puede aplicarse a la panspermia, ya que predice que los microbios son capaces de protegerse del duro entorno espacial, saben emerger cuando las condiciones son seguras y también aprovechan su capacidad de latencia para aumentar la biodiversidad dondequiera que aterricen.

La panspermia dirigida consiste en el transporte deliberado de microorganismos para colonizar otro planeta . Si el objetivo es colonizar un entorno similar a la Tierra, la biogeografía microbiana puede orientar las decisiones sobre la carga biológica de dicha misión. En particular, los microbios presentan rangos latitudinales según la regla de Rapoport , que establece que los organismos que viven en latitudes bajas (cerca del ecuador ) se encuentran en rangos latitudinales más pequeños que los que viven en latitudes altas (cerca de los polos). Por lo tanto, la carga biológica ideal incluiría microorganismos de latitudes altas, ampliamente distribuidos y capaces de tolerar una gama más amplia de climas. Esta no es necesariamente la opción obvia, ya que estos organismos de amplia distribución también son escasos en las comunidades microbianas y tienden a ser competidores más débiles frente a organismos endémicos . Aun así, pueden sobrevivir en una variedad de climas y, por lo tanto, serían ideales para habitar planetas similares a la Tierra, que de otro modo carecerían de vida y tendrían condiciones ambientales inciertas. Aunque los extremófilos son lo suficientemente resistentes como para soportar el entorno espacial, quizás no sean ideales para la panspermia dirigida, ya que cada especie extremófila requiere un clima muy específico para sobrevivir. Sin embargo, si el objetivo estuviera más cerca de la Tierra, como un planeta o una luna del Sistema Solar , podría ser posible seleccionar una especie extremófila específica para ese entorno bien definido.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Brown, Mark V. Lomolino, Brett R. Riddle, Robert J. Whittaker, James H. (2010). Biogeografía (4.ª  ed.). Sunderland, Mass.: Sinauer Associates. ISBN 9780878934942.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  2. 1 2 3 Martiny, Jennifer B. Hughes; Bohannan, Brendan JM ; Brown, James H.; Colwell, Robert K.; Fuhrman, Jed A.; Green, Jessica L.; Horner-Devine, M. Claire; Kane, Matthew; Krumins, Jennifer Adams; Kuske, Cheryl R.; Morin, Peter J.; Naeem, Shahid; Øvreås, Lise; Reysenbach, Anna-Louise; Smith, Val H.; Staley, James T. (febrero de 2006). "Biogeografía microbiana: poniendo los microorganismos en el mapa". Nature Reviews Microbiology . 4 (2): 102– 112. doi : 10.1038/nrmicro1341 . PMID 16415926. S2CID 205496270 .  
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  4. ^ Baas-Becking, LGM (1934). Geobiología del inleiding tot de milieukunde . La Haya, Países Bajos: WP Van Stockum & Zoon,Traducción al inglés, 2015,.
  5. ↑ Traducido del original holandés: "Alles is overal: maar het milieu selecteert"
  6. ↑ Staley, JT; Gosink, JJ (1999). "Polos opuestos: Biodiversidad y biogeografía de las bacterias del hielo marino". Annual Review of Microbiology . 53 : 189–215 . doi : 10.1146/annurev.micro.53.1.189 . PMID 10547690 . 
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