jueves, enero 14, 2010

Las fronteras de la vida (entrevista a John Postgate)

Los seres humanos, así como casi todos los seres pluricelulares complejos, podemos vivir dentro de unos estrechos márgenes ambientales. Las temperaturas tórridas nos secan y nos queman, las heladas nos perturban primero y paralizan después la fisiología y, tras una dura agonía, el cuerpo al completo. Una presión atmosférica elevada nos aplastaría, una leve nos dejaría sin aire. Eso sería terrible porque ese aire contiene oxígeno, del que dependemos para la respiración aeróbica. Pero el nivel de moléculas altamente reactivas de oxígeno en el aire no sólo no debe bajar –en cuyo caso nos asfixiaríamos- sino que tampoco debe elevarse demasiado, porque entonces nos convertiríamos en combustible fácil y arderíamos en su fuego eterno. Nuestros tejidos no resisten el contacto con líquidos que tengan un PH alejado del 7. Ese es verdaderamente nuestro 7º cielo. Tanto por debajo como por encima de él nos consumimos en un infierno de acidez o alcalinidad.

Y, a pesar de lo contrarias que parecen a la vida determinadas condiciones por encima o por debajo de los límites que nuestra naturaleza nos ha asignado, hay vida en ellas. Vida microscópica, una vida que antes del microscopio que en ocasiones le da nombre no contemplábamos. Ni sabíamos de su existencia ni de su importancia. Los microbios (“vida pequeña”) son la vida originaria de este planeta, tanto por su precedencia temporal en miles de millones de años respecto a lo que hasta hace bien poco considerábamos vida, como por su precedencia metabólica. Sin sus procesos actuales tampoco podríamos vivir. Dependemos de ellos entre otras cosas para nuestra tecnológicamente sofisticada agricultura, como fijadores que son –con su aún más sofisticada tecnología evolucionada por selección natural- del nitrógeno para las plantas, y para asimilar correctamente los nutrientes extraídos de la tierra por esa agricultura en nuestro aparato digestivo.

Las bacterias y las arqueas (los dos dominios de vida exclusivamente microbiana) ocupan todos los nichos imaginables y, aunque no las veamos, están en todas partes: encima de nuestros mobiliarios, flotando en el aire y en el agua, tapizando nuestro intestino grueso, en nuestra piel.... siendo casi siempre beneficiosas para nosotros, y haciendo, en general, lo inhóspito habitable. Pero algunas de ellas, dentro del dominio bacteria, se han vuelto patógenos, es decir, se han convertido en pequeños predadores que nos consumen desde dentro. Somos su nicho y su presa. De ahí que gran parte de la historia de la evolución pueda explicarse como una lucha entre los sistemas inmunitarios de los organismos complejos, defendiendo la plaza, y los asediadores bacterianos y víricos (estos últimos quizás no merezcan ser llamados “vida” y de hecho también atacan a las propias bacterias) del ambiente biológico circundante.

Sobre la versatilidad bioquímica de las bacterias y su fundamental importancia como cimentadores y argamasa de la vida nos habla el Profesor ya retirado de la Universidad de Sussex, John Postgate, en su literariamente excelso y científicamente impecable libro (ahora en edición de bolsillo) Las Fronteras de la Vida.

El Profesor Postgate ha tenido la amabilidad de respondernos algunas preguntas sobre la grandeza de lo pequeño. José Miguel Guardia se encargó de asegurar que las preguntas formuladas estuvieran en un correcto inglés.

En ingles:

1.-It is said that the biomass of unicellular organisms is greater than that of all animals and plants together. How can we estimate this magnitude?

Calculations of this kind involve huge extrapolations and are lamentably imprecise, but they nevertheless give orders of magnitude. For instance, good agricultural soil contains in the region of 400 Kg of observable bacteria per hectare. Pooling comparable estimates for poor soils, permafrost, deep soil, seas and rivers over the world led workers in 1998 to a global estimate of five thousand billion tonnes (5 x 1015 Kg) of bacteria the world over. That figure is similar to botanists’ estimates of the planet’s total mass of organic plant material (compared with which the mass of animal matter is trivial). But we know that much bacterial and other microbial matter has passed unobserved by older microbiological techniques. Hence we can be sure that the terrestrial mass of microbes exceeds that of higher organisms substantially - but how substantially is still anyone’s guess.

2 .- What are the boundaries of life, where are its limits of salinity, pressure, temperature ...?

In my opinion terrestrial-type life can exist at all temperatures, pressures and salinities at which water remains liquid. There are those who argue that the thermal stabilities of ATP or DNA, essential for metabolism and genetics on this planet, set thermal limits around 170oC, but I suspect that these substances are parochial rather than universal necessities. Liquid water is, I think, truly essential.

3 .- Do you think life is probably a widespread phenomenon in universe or, conversely, very unlikely? And multicellular life?

Very likely. H2O is abundant throughout the universe and the solar system has several sites (e.g. Europa, Mars) where it seems to be, or have been, liquid. It would be surprising if some form of water-based life had not emerged there, as well as elsewhere in the Milky Way and in other galaxies. Since co-operation, commensalism and symbiosis, which led to multicellularity, have been an essential part of biological evolution here, it seems probable that extraterrestrial life would likewise evolve into multicellular or coenocytic forms.

4 .- To what extent are complex organisms communities of the smaller ones? How many species can we hold in our midst, without realising it?

I am very happy with Professor Margulis’s evidence that Eukaryotes emerged by the evolutionary accretion of certain co-operating bacteria and archaea to form a unit cell. But it would clearly be incorrect to argue that Eukaryotes are still communities of their ancestral protista in the way that a lichen is a community of a fungus and an alga.
However, all metazoa exist in close communal association with microbes. For example, microbes inhabit the rhizospheres and phyllospheres of plants; bacteria operate in the rumina of ruminants and benefit the human colon; micro-algae camouflage the green tree sloth; and so on.

As far as humans are concerned, in a recent survey in which the hands of 57 students were swabbed and tested for specific bacterial DNA, some 150 putative species per hand were revealed, and over 1400 distinct species among the whole cohort. Remarkable biodiversity of which all were unaware!

5.-Microorganisms began to be better known and studied through their pathogen representatives. But pathogens, despite its their importance among us, are only a tiny fraction of all microorganisms How do they shape our environment? Could you make a compliment of microorganisms?

This is a huge question. The majority of microbes are indeed neutral or beneficial. They shape, and have shaped, our environment profoundly and completely. Historically primitive photosynthetic bacteria initiated the transformation of the earth’s atmosphere from its primitive near-zero oxygen content to the present oxygen-rich composition, thus enabling the evolution of air-breathing plants and animals. Since when bacteria have maintained the terrestrial cycles of carbon, nitrogen, oxygen, sulfur and some minor elements on which agriculture, and our lives, depend. They have also generated and concentrated minerals such as iron, sulfur, pyrite, copper, oil. They promote soil formation and benefit the nutrition of animals and plants both directly and indirectly. They have seemingly negative effects in pollution, corrosion and deterioration, but these can be exploited to beneficial ends as in sewage treatment, water purification and the like. They impinge on almost every aspect of our lives, society and environment.

6.-The evolutionary relationships between different beings seem to divide life into three domains: Archaea, Bacteria and Eukaryotes. However, the eukaryotic domain appears to stem from one of the other two or both in some strange combination. What is your hypothesis about that? How did the eukaryotic cell arise? What makes this so different that it is capable of building complex multicellular organisms?

See my answer to question 4. Association of archaeon and bacterium generated the eukaryote. The effective fusion of two biochemistries led to cells of unprecedented pluripotency, able to combine many biochemical functions and so to colonise new environments as well as compete impressively in older ones.

I have often wondered why protista show only the simplest types of multicellularity. I suspect it has to do with pluripotency: emergent eukaryotes found it possible to survive and flourish out of water, where there was selective advantage in multicellular co-operation and differentiation, neither of which had much selective advantage for the wholly water-bound protista.

7.- Unlike the exuberant variety in shapes, functions, and sizes of animals and plant, bacteria look very much alike. And yet, there is an enormous biochemical diversity among them. Could you explain what is that diversity?

I can see no correlation between biochemical diversity and form. The sulfate-reducing bacteria, which are biochemically much alike, come in all but one of the known bacterial shapes - rods, spheres, ovoids, commas, spirilla, chains etc. In E.coli , normally a stubby rod, form is determined by nutritional status. It grows as a filament when short of magnesium, is almost spherical when surfeited with carbohydrate, and assumes a variety of pleomorphic forms when aged. It also loses its flagella when growing in turbulent media.

The celebrated biodiversity of bacteria results from unusual properties becoming grafted onto a basic biochemical pattern common to all living things. The pathways of nutrient catabolism, of protein and lipid synthesis, of gene expression and regulation, are essentially similar in Bacteria, Archaea and Eukaryotes, but in bacteria and archaea they can be coupled to exotic properties such as nitrogen fixation, cyanide catabolism, ferrous iron oxidation, sulfate reduction, sulfur oxidation, sulfide-linked photosynthesis and diverse syntheses of unusual chemical, antibiotics, toxins etc.

8 .- What is the role of microorganisms in the evolution of species? What kind of evolution was there in the ancient world before metazoans?

As far as the evolution of metazoan species is concerned, microbes have influenced it as agents of natural selection (by disease) and by their environmental activities outlined under question 5.
Regarding pre-metazoan evolution, it would have been based on asexual reproduction; natural selection would have operated on mutation during single cell divisions, with gene transfer between cells (transduction, transformation or conjugation) providing rare but abrupt evolutionary leaps.

9.- What are you now working on?

Staying alive and learning. I am long retired and my active microbiology has dwindled to occasional writings and lectures.



En castellano:

1.-Se dice que la biomasa de los organismos unicelulares es mayor que la de todos los animales y plantas juntos. ¿Cómo podemos estimar esta magnitud?

Esta clase de cálculos implica enormes extrapolaciones y lamentablemente son imprecisos, pero, con todo, proporcionan órdenes de magnitud. Por ejemplo, los suelos agrícolas de buena calidad contienen en su tierra 400 Kg de bacterias observables por hectárea. Agrupando estimaciones comparables para suelos pobres, el permafrost, el suelo profundo, los mares y los ríos del mundo llevaron en 1998 a quienes trabajaban en ello a una estimación global de cinco mil millones de toneladas (5 x 1015 Kg) de bacterias en todo el mundo. Esa cifra es similar a la de las estimaciones de los botánicos de la masa total del planeta de material vegetal orgánica (en comparación con la cual la masa de materia animal es trivial). Sin embargo, sabemos que gran parte de las bacterias y los otros microorganismos han pasado inadvertidos para las viejas técnicas microbiológicas. Por tanto, podemos estar seguros de que la masa terrestre de los microbios excede sustancialmente a la de los organismos superiores -Pero cuán sustancialmente nadie lo sabe todavía.

2.-¿Cuáles son las fronteras de la vida, dónde están sus límites de salinidad, presión, temperatura...?

En mi opinión, el tipo de vida terrestre puede existir dentro de toda temperatura, presión y salinidad en la que el agua permanezca en estado líquido. Hay quienes sostienen que la estabilidad térmica del ATP o del ADN, esencial para el metabolismo y la genética en este planeta, establecen límites térmicos en torno a los 170oC, pero sospecho que estos elementos son necesarios local más que universalmente. El agua líquida es, creo, verdaderamente esencial.

3.-¿Cree que la vida es un fenómeno probablemente muy extendido en el Universo o, por el contrario, que es algo muy improbable? ¿Y la vida pluricelular?

Muy probable. El agua es abundante en todo el universo y en el sistema solar hay varios lugares (por ejemplo, Europa, Marte), donde parece haber, o haber habido, líquido. Sería sorprendente que no hubiera surgido allí alguna forma de vida basada en el agua, así como en otras partes de la Vía Láctea y en otras galaxias. Dado que la cooperación, el comensalismo y la simbiosis, que llevaron a la multicelularidad, han sido una parte esencial de la evolución biológica aquí, parece probable que la vida extraterrestre evolucionara del mismo modo hacia formas pluricelulares o cenocíticas.

4.-¿En qué medida somos los organismos complejos comunidades de organismos más pequeños? ¿Cuántas especies podemos albergar en nuestro seno, sin darnos cuenta?

Me complace mucho la evidencia de la Profesora Margulis sobre la emergencia de la célula eucariota a partir de la adición evolutiva de ciertas bacterias y arqueas cooperativas para formar una unidad celular. Pero sería claramente incorrecto afirmar que las eucariotas siguen siendo todavía comunidades de sus protistas ancestrales de la misma forma que un liquen es una comunidad de un hongo y un alga.

Sin embargo, todos los metazoos existen en estrecha asociación comunal con los microbios. Por ejemplo, los microbios habitan en las rizosferas y filosferas de las plantas; las bacterias operan en la rumia de los rumiantes y benefician al colon humano; las micro-algas camuflan al perezoso de árboles verdes, y así sucesivamente.

En lo que se refiere a los seres humanos, en un reciente estudio en el que se extrajeron y analizaron, para un ADN bacteriano específico, muestras de las manos de 57 estudiantes, se revelaron unas 150 especies putativas por mano, y en torno a 1400 especies distintas dentro del conjunto completo. ¡Una gran biodiversidad de la que nadie era consciente!

5.-Los microorganismos comenzaron a ser mejor conocidos y estudiados a través de sus representantes patógenos. Pero los patógenos, pese a su importancia entre nosotros, son sólo una ínfima fracción de todos los microorganismos existentes ¿Cómo dan forma a nuestro ambiente? ¿Podría hacer un elogio de los microorganismos?

Esta es una gran pregunta. La mayor parte de los microbios son, en efecto, neutrales o beneficiosos. Ellos conforman y han conformado profunda y completamente nuestro medio ambiente. Las históricamente primitivas bacterias fotosintéticas iniciaron la transformación de la atmósfera terrestre desde su casi nulo contenido de oxígeno originario a la composición rica en él que ha hecho posible la evolución de plantas y animales que respiran aire. Desde entonces las bacterias han mantenido los ciclos terrestres de carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre y algunos elementos menores de los que la agricultura, y nuestras vidas, dependen. También han generado y concentrado minerales como hierro, azufre, pirita, cobre y petróleo. Promueven la formación del suelo y benefician la nutrición de animales y plantas tanto directa como indirectamente. Tienen efectos aparentemente negativos en la contaminación, la corrosión y el deterioro, pero pueden ser explotadas con fines benéficos, como en el tratamiento de aguas residuales, depuración de aguas y similares. Inciden sobre casi todos los aspectos de nuestra vida, sociedad y medio ambiente.

6.-Las relaciones evolutivas entre los distintos seres parecen dividir la vida en tres dominios: Arqueas, Bacterias y Eucariotas. Sin embargo el dominio eucariota parece derivarse de uno de los otros dos o de ambos por alguna extraña combinación. ¿Cuál es su hipótesis al respecto? ¿Cómo surgió la célula eucariota? ¿Qué es lo que hace a esta tan distinta que es capaz de construir organismos pluricelulares complejos?

Vea mi respuesta a la pregunta 4. La asociación de archaea y bacterias generaron a los eucariotas. La fusión efectiva de dos bioquímicas llevó a células con una pluripotencia sin precedentes, capaces de combinar muchas funciones bioquímicas y de colonizar nuevos ambientes, así como de competir de una forma impresionante en las más antiguas.

A menudo me he preguntado por qué los protistas sólo muestran los tipos más simples de multicelularidad. Sospecho que tiene que ver con la pluripotencia: los eucariotas emergentes encontraron que era posible sobrevivir y florecer fuera del agua, donde había una ventaja selectiva en la cooperación y diferenciación multicelulares, ninguna de las cuales tenía mucha ventaja selectiva para los protistas totalmente envueltos por agua.

7.-Frente a la exuberante variedad de formas, funciones y tamaños de los animales y las plantas las bacterias parecen muy iguales. Y, sin embargo, hay en ellas una enorme diversidad, pero de tipo bioquímico. ¿Podría explicarnos en qué consiste esa diversidad?

No veo ninguna correlación entre diversidad bioquímica y forma. Las bacterias reductoras de sulfato, que son bioquímicamente muy parecidas, presentan todas las formas, menos una, de las bacterianas conocidas - barras, esferas, ovoides, comas, espirales, cadenas, etc- en E. coli, normalmente una barra corta, la forma está determinada por el estado nutricional. Crece como un filamento cuando está baja de magnesio, es casi esférica, cuando está hastiada de hidratos de carbono, y asume una variedad de formas pleomórficas cuando envejece. También pierde su flagelos cuando crece en medios turbulentos.

La celebrada biodiversidad de las bacterias es consecuencia de inusuales propiedades que fueron injertadas en un patrón bioquímico básico común a todos los seres vivos. Las vías del catabolismo de nutrientes, de síntesis de proteínas y lípidos, de expresión y regulación genéticas, son esencialmente similares en bacterias, archaea y eucariotas, pero en las bacterias y arqueas pueden ser emparejadas con propiedades exóticas tales como la fijación de nitrógeno, el catabolismo de cianuro, la oxidación de hierro ferroso, la reducción de sulfatos, la oxidación del azufre, la fotosíntesis ligada al azufre y diversas síntesis de poco comunes productos químicos, antibióticos, toxinas, etc

8.-¿Cuál es la importancia de los microorganismos en la evolución de las especies? ¿Qué clase de evolución hubo en el ancestral mundo previo a los metazoos?

En lo que se refiere a la evolución de las especies de metazoos, los microbios han influido en ésta como agentes de la selección natural (a través de enfermedades) y por sus actividades medioambientales a las que me refería a la respuesta a la pregunta 5.

En cuanto a la evolución anterior a los metazoos, habría estado basada en la reproducción asexual; la selección natural habría operado a través de mutaciones durante las divisiones celulares individuales, con transferencia de genes entre células (transducción, transformación o conjugación) provocando raros pero abruptos saltos evolutivos.

9.-¿En qué trabaja ahora?

En seguir vivo y aprender. Soy jubilado hace tiempo y mi actividad microbiológica se ha reducido a ocasionales escritos y conferencias.