¿CÓMO SOBREVIVEN Y SE REPRODUCEN LOS PROCARIONTES?

La abundancia de procariontes se debe en buena medida a las adaptaciones que permiten a los miembros de los dos dominios procariontes habitar y aprovechar una extensa gama de ambientes.

Algunos procariontes son móviles

Muchas bacterias y arqueas se fijan a una superficie o se encuentran pasivamente a la deriva en ambientes líquidos, pero algunas son móviles (pueden cambiar de lugar). Muchos de estos procariontes móviles poseen flagelos. Los flagelos de los procariontes pueden presentarse individualmente en un extremo de la célula, en pares (uno en cada extremo de la célula), como un mechón en un extremo de la célula o disgregados por toda la superficie celular. Los flagelos pueden girar rápidamente e impulsar al organismo a través de su medio líquido. El empleo de flagelos para moverse permite a los procariontes emigrar hacia nuevos hábitats, desplazarse hacia los nutrimentos y abandonar ambientes desfavorables.

La estructura de los flagelos procariontes es diferente de la estructura de los flagelos eucariontes. En los flagelos bacterianos, una estructura distintiva con apariencia de rueda, incrustada en la membrana bacteriana y en la pared celular, hace posible la rotación del flagelo. Los flagelos de las arqueas son más delgados que los de las bacterias y están hechos de proteínas diferentes. Sin embargo, la estructura de los flagelos de las arqueas aún no se conoce tan bien como la de los flagelos de las bacterias.

Muchas bacterias forman películas en las superficies

La pared celular de ciertas especies procariontes está cubierta de capas pegajosas de material viscoso protector, compuestas de polisacáridos o proteínas, que protege a las células y las ayuda a fijarse a las superficies. En muchas ocasiones, los procariontes de una o más especies que secretan ese material viscoso se reúnen en colonias para formar comunidades denominadas biopelículas. Una biopelícula conocida es la placa dental, que forman las bacterias que viven en la boca. La protección que brindan las biopelículas ayuda a las bacterias incrustadas a defenderse de una gran variedad de ataques, incluidos los que lanzan los antibióticos y desinfectantes. Por tanto, las biopelículas formadas por bacterias dañinas para los seres humanos pueden ser muy difíciles de eliminar. Muchas infecciones causadas por bacterias en el cuerpo humano adquieren la forma de biopelículas, incluidas las responsables de la caries dental, las enfermedades de las encías y las infecciones de los oídos.

Las endosporas protectoras permiten a algunas bacterias tolerar condiciones adversas

Cuando las condiciones ambientales se tornan inhóspitas, muchas bacterias con forma de bastón constituyen las estructuras protectoras llamadas endosporas. Una endospora, que se forma dentro de una bacteria, contiene material genético y unas cuantas enzimas encerradas dentro de una gruesa capa protectora. Después de formarse la endospora, la célula bacteriana que la contiene se abre, y la espora se libera en el ambiente. La actividad metabólica cesa hasta que la espora encuentra condiciones favorables, momento en que se reanuda el metabolismo y la espora se desarrolla como una bacteria activa.

Las endosporas son resistentes incluso a condiciones ambientales extremas. Algunas resisten la ebullición durante una hora o más. Otras pueden sobrevivir durante lapsos extraordinariamente largos. En el ejemplo más extremo de longevidad, unos científicos descubrieron recientemente endosporas que permanecieron encerradas en una roca durante 250 millones de años. Luego de que con gran cuidado extrajeron las esporas de su “tumba” pétrea, las incubaron en tubos de ensayo. Increíblemente, se desarrollaron bacterias vivas a partir de esas antiquísimas esporas, más viejas que los fósiles de dinosaurio más antiguos.

Los procariontes se especializan en hábitats específicos

Los procariontes pueden conquistar prácticamente todos los hábitats, incluidos aquellos donde las condiciones extremas impiden que sobrevivan otras formas de vida. Por ejemplo, algunas bacterias prosperan en ambientes cercanos al punto de ebullición, como en los manantiales calientes del Parque Nacional de Yellowstone. Muchas arqueas viven en medios aún más calientes, incluso en manantiales donde el agua hierve constantemente o en los respiraderos de las profundidades oceánicas, donde se expele agua sobrecalentada a través de fisuras de la corteza terrestre a temperaturas de hasta 110 °C. Los procariontes también poseen la capacidad de sobrevivir a las presiones extremadamente altas que se encuentran bajo la superficie de la Tierra y en ambientes muy fríos, como en el hielo del océano Antártico.

Ni siquiera las condiciones químicas extremas consiguen impedir la invasión de procariontes. Prósperas colonias de bacterias y arqueas habitan en el mar Muerto, donde una concentración de sal siete veces mayor que la de los océanos excluye cualquier otra forma de vida, así como en líquidos que son tan ácidos como el vinagre o tan alcalinos como el amoniaco doméstico. Desde luego, ricas comunidades procariontes también residen en una gama completa de hábitats más moderados, incluso dentro y sobre el cuerpo humano sano.

Sin embargo, ninguna especie procarionte es tan versátil como sugieren estos ejemplos. Efectivamente, la mayoría de los procariontes son especialistas. Una especie de arquea que habita en las fuentes hidrotermales de las profundidades oceánicas, por ejemplo, crece de forma óptima a 106 °C y deja de crecer por completo a temperaturas por abajo de los 90 °C. Es evidente que esta especie no sobreviviría en un hábitat menos extremo. Las bacterias que viven en el cuerpo humano también están especializadas; diferentes especies colonizan la piel, la boca, las vías respiratorias, el intestino grueso y el aparato genitourinario.

Los procariontes tienen diversos metabolismos

Los procariontes pueden colonizar diferentes hábitats, en gran medida porque han desarrollado diversas rutas metabólicas para adquirir energía y nutrimentos del ambiente. Por ejemplo, en contraste con los eucariontes, muchos procariontes son anaerobios, pues no necesitan oxígeno para efectuar su metabolismo. Su capacidad para habitar en ambientes libres de oxígeno permite a los procariontes aprovechar hábitats que son inadecuados para los eucariontes. Algunos procariontes anaerobios, como muchas de las arqueas que habitan en los manantiales calientes y la bacteria que causa el tétanos, en realidad se envenenan con el oxígeno. Otros suelen ser oportunistas: practican la respiración anaeróbica cuando falta oxígeno, pero cambian a la respiración aeróbica cuando disponen de oxígeno. Desde luego, muchos procariontes son rigurosamente aerobios y requieren oxígeno todo el tiempo.

Ya sean aerobias o anaerobias, distintas especies de procariontes son capaces de extraer energía de una gama sorprendente de sustancias. Los procariontes no sólo subsisten de azúcares, carbohidratos, lípidos y proteínas que normalmente se consideran alimentos, sino que también consumen compuestos que no son comestibles o que incluso son tóxicos para los seres humanos como petróleo, metano (el principal componente del gas natural) y solventes como benceno y tolueno. Los procariontes incluso pueden metabolizar moléculas inorgánicas como son: hidrógeno, azufre, amoniaco, hierro y nitrito. El proceso de metabolizar moléculas inorgánicas puede producir subproductos que son utilizados por otros organismos. Por ejemplo, algunas bacterias liberan en el suelo sulfatos o nitratos, que son nutrimentos fundamentales para las plantas.

Algunas especies de bacterias, como las cianobacterias, llevan a cabo la fotosíntesis para captar energía directamente de la luz solar. Del mismo modo que las plantas verdes, las bacterias fotosintéticas poseen clorofila. La mayoría de las especies producen oxígeno como un subproducto de la fotosíntesis, pero algunas, conocidas como bacterias sulfurosas, utilizan ácido sulfhídrico (H2S) en vez de agua (H2O) en la fotosíntesis y liberan azufre en lugar de oxígeno. Hasta el momento no se conocen arqueas fotosintéticas.

Los procariontes se reproducen mediante fisión binaria

La mayoría de los procariontes se reproducen de manera asexual por medio de fisión binaria, una forma de división celular que es mucho más simple que la división celular mitótica. La fisión binaria produce copias genéticamente idénticas de la célula original. En condiciones ideales, una célula procarionte se reproduce aproximadamente una vez cada 20 minutos, por lo que puede dar origen a miles de trillones de descendientes en un solo día. Esta rápida reproducción permite a los procariontes explotar hábitats temporales, como un charco de lodo o un budín tibio.

La elevada tasa de reproducción también permite a las poblaciones bacterianas desarrollarse rápidamente. Recuerda que muchas mutaciones, que son la fuente de la variabilidad genética, son producto de errores en la replicación del ADN durante la división celular. Por consiguiente, la rápida y repetida división celular de los procariontes ofrece amplias oportunidades para el surgimiento de nuevas mutaciones, y también permite que aquellas mutaciones que aumentan las posibilidades de supervivencia se transmitan rápidamente.

Los procariontes son capaces de intercambiar material genético sin reproducirse

Aunque los procariontes por lo general se reproducen asexualmente y no involucran recombinación genética, algunas bacterias y arqueas intercambian material genético. En estas especies, el ADN se transfiere de un donador a un receptor durante un proceso que se llama conjugación. Las membranas plasmáticas celulares de dos procariontes en conjugación se fusionan temporalmente para formar un puente citoplasmático a través del cual se transfiere el ADN. En las bacterias, las células donadoras utilizan unas extensiones especializadas, llamadas pelos sexuales, que se adhieren a la célula receptora para acercarla y facilitar la conjugación. La conjugación produce nuevas combinaciones genéticas que permiten que las bacterias resultantes sobrevivan en una gran variedad de condiciones. En algunos casos es posible que el material genético se intercambie incluso entre bacterias de diferentes especies.

Una gran parte del ADN que se transfiere durante la conjugación bacteriana se encuentra dentro de una estructura llamada plásmido, que es una pequeña molécula circular de ADN que está separada del cromosoma bacteriano. Los plásmidos portan genes de resistencia a los antibióticos o alelos de genes que también están presentes en el cromosoma bacteriano principal. Los investigadores en el campo de la genética molecular han utilizado extensamente los plásmidos bacterianos.