Los microbios están en todas partes: desde las profundidades del océano hasta el interior de nuestro cuerpo. Son organismos diminutos, pero increíblemente abundantes y diversos. En un solo gramo de suelo puede haber hasta mil millones de bacterias de miles de especies diferentes. A pesar de su tamaño desempeñan roles fundamentales en los ecosistemas: reciclan nutrientes, degradan compuestos tóxicos y contribuyen al equilibrio de la vida en la Tierra.
Entender cómo se forman y cambian sus comunidades es esencial para abordar problemas como el cambio climático, la resistencia a los antibióticos y la degradación de los ecosistemas. Recientemente hemos publicado un estudio que muestra que estas poblaciones, lejos de hallar un equilibrio, se encuentran en constante cambio. Esto desafía algunas de las suposiciones más extendidas sobre su dinámica.
¿Qué da forma a las comunidades microbianas?
Los científicos han investigado qué factores influyen en la abundancia y diversidad de los microbios. Hay dos fuerzas principales en juego:
- Fuerzas bióticas. Son las interacciones entre las diferentes especies de microbios presentes en un ambiente. Por ejemplo, cómo compiten o colaboran entre sí para acceder a recursos limitados como nutrientes y espacio. Estas interacciones pueden dar lugar a relaciones complejas de competencia, mutualismo o parasitismo.
- Fuerzas abióticas. Son factores del entorno, como la disponibilidad de nutrientes, la temperatura y el pH, que afectan a todas las especies de una comunidad. Un cambio en alguna de estas condiciones puede alterar radicalmente la composición microbiana.
En nuestro estudio analizamos matemáticamente y de forma simultánea cómo estas fuerzas bióticas y abióticas influyen en las comunidades microbianas. Tras comparar nuestro modelo con datos experimentales encontramos que las comunidades microbianas generalmente no están en equilibrio.
Esto significa que están en constante cambio, con energía y materia fluyendo a través de ellas, en un sistema en el que las fuerzas bióticas y abióticas no se compensan. Este descubrimiento subraya la importancia de considerar las comunidades microbianas como sistemas dinámicos y no como entidades estáticas.
La importancia de estudiar comunidades dinámicas
El hallazgo de que estas comunidades no están en equilibrio tiene implicaciones importantes. Durante años, muchos modelos asumían que las comunidades microbianas evolucionan hacia un estado estacionario donde las condiciones permanecen constantes. Sin embargo, nuestra evidencia sugiere que estas comunidades son más dinámicas y que reaccionan continuamente a cambios ambientales y a las interacciones entre especies.
¿Por qué es importante conocer estas dinámicas? En primer lugar, los microbios son esenciales para los ecosistemas. Por ejemplo, los microorganismos del suelo son responsables de fijar el nitrógeno atmosférico, un proceso clave para la agricultura sostenible. Por otro lado, en el cuerpo humano una comunidad microbiana desequilibrada puede ser la raíz de enfermedades como infecciones recurrentes, obesidad y trastornos digestivos.
Conocer cómo operan estas comunidades fuera del equilibrio puede abrir nuevas vías para diseñar intervenciones. Por ejemplo, si entendemos cómo una comunidad microbiana responde a ciertos cambios en su entorno podríamos diseñar estrategias más precisas para restaurar la dinámica deseada, ya sea en un ecosistema natural o en el cuerpo humano.
Un nuevo patrón macroecológico
La llamada “ley de Taylor” es un principio ecológico que dice que la variabilidad en la abundancia de una especie está relacionada de manera predecible con su abundancia media. En términos simples: si sabemos cuántos individuos hay en promedio, podemos predecir cuán variable será ese número con el tiempo.
Sin embargo, nuestro trabajo mostró que esta ley no se cumple perfectamente en las comunidades microbianas reales. Aunque la ley de Taylor ha sido un marco sólido en macroecología, nuestros resultados muestran que es insuficiente para capturar la complejidad de las comunidades microbianas. Descubrimos que hay variaciones significativas que no pueden explicarse si ignoramos las interacciones entre especies.
También identificamos un nuevo patrón universal: las fluctuaciones en la abundancia de especies siguen una distribución que es consistente en diferentes entornos. Esto sugiere que hay principios fundamentales que gobiernan cómo varían las poblaciones microbianas, sin importar dónde se encuentren. Este patrón se observó en datos de ambientes tan diversos como glaciares, suelos, ríos, agua del mar, flora gastrointestinal y flora bucal, lo que subraya su universalidad.
Una analogía con la física: el movimiento browniano
Para entender mejor los hallazgos podemos compararlos con un fenómeno físico conocido: el movimiento browniano. Este es el movimiento aleatorio que experimentan partículas diminutas, como polen en agua, debido a choques con moléculas en movimiento.
Así como las partículas se mueven debido a la energía del entorno, las poblaciones microbianas fluctúan en respuesta a cambios en los recursos y condiciones ambientales siguiendo patrones bien determinados. Esta analogía facilita la comprensión de las fluctuaciones observadas y las conecta con principios físicos universales.
De datos metagenómicos a patrones universales
Este trabajo ha sido posible gracias a los avances en la metagenómica, que permite estudiar el material genético obtenido directamente de muestras ambientales. Al identificar un nuevo patrón en las fluctuaciones de abundancia, estudios como este profundizan en cómo los microbios interactúan entre sí y con su entorno.
Comprender los principios fundamentales detrás de la organización y las fluctuaciones de las comunidades microbianas tendrá relevancia en áreas como:
- Salud humana. Por ejemplo, para desarrollar terapias personalizadas que restauren el equilibrio en la microbiota intestinal.
- Agricultura sostenible. Permitiría optimizar el uso de microorganismos para mejorar la fertilidad del suelo y controlar plagas, pasando de un paradigma basado en la idea de trabajar la tierra a la de trabajar con la tierra.
- Remediación ambiental. De esta forma se podrían diseñar estrategias más efectivas para limpiar suelos y aguas contaminadas.
Finalmente, al igual que el movimiento browniano amplió nuestra comprensión de fenómenos físicos fundamentales, la observación de que principios similares pueden estar gobernando las comunidades microbianas nos acerca a un entendimiento más racional y cuantitativo de sus dinámicas.
Este conocimiento básico no solo amplía nuestra comprensión científica, sino que contribuye a establecer los fundamentos sobre los que desarrollar aplicaciones futuras.
FUENTE: THE CONVERSATION
