Cooperació i evolució

105-73
Carles Puche
Tots els animals, fongs i plantes, des dels més senzills fins als humans, estem colonitzats per organismes microbians. En aquesta il·lustració s’observa el món macroscòpic, que ens resulta familiar, però que engloba (cercle) un món totalment invisible a l’ull humà, imprescindible per la sostenibilitat de la vida. Els microorganismes representats en aquest cercle són: (1) Aspergillus, (2) Stentor, (3) Spirulina, (4) Streptomyces, (5) Pyrococcus, (6) Vibrio, (7) virus de la grip, (8) Paramecium, (9) diatomea, (10) Penicillium, (11) Chromatium, (12) Giardia, (13) Escherichia, (14) Microcoleus, (15) Anabaena, (16) Spirillum, (17) Euglena, (18) Closterium, (19) espiroquetes.

Històricament, els biòlegs s’han dedicat a l’estudi dels grups d’éssers vius més grans (animals, plantes i fongs), tot caracteritzant la seva forma i funció (el fenotip) com a conseqüència directa del seu genotip. Els microbis s’han estudiat principalment com a agents patògens dels «macrobis», o individus «grans». La interacció hoste-microorganisme sempre s’ha vist com una lluita entre el «bo» (l’hoste o macrobi) contra el «dolent» (el microbi). Però, ¿com canviaria la forma en què estudiem els sistemes biològics si miréssim les associacions «macrobi»-microbi com a relacions evolutives, com una estratègia de manteniment (de fitness en el sentit de Darwin) alternatiu en la lluita contra els factors adversos de l’ambient?

La varietat d’associacions entre organismes (o simbiosi; en el seu sentit etimològic, vida junts) va des de les beneficioses o mutualistes, a les perjudicials o paràsites. I moltes vegades, segons deia Ramon Margalef, les diferències solament estan en l’ull de l’observador. Anton de Bary (1831-1888), botànic alemany expert en fongs, va proposar que els líquens consistien en la unió d’un fong amb una alga amb benefici mutu, i va encunyar la paraula simbiosi el 1873. 

Molts microorganismes no solament viuen juntament amb un altre organisme, sinó dins de les seves cèl·lules. És el que denominem endosimbiosi. L’endosimbiosi és una condició topològica i fisiològica, una classe de simbiosi on un soci viu dins de les cèl·lules de l’altre i hi porta a terme diferents activitats, moltes vegades beneficioses per a la cèl·lula hoste. La teoria endosimbiòtica seriada sobre l’origen de la cèl·lula eucariota va ser proposada el 1967 per Lynn Margulis (1938-2011), i es va basar en estudis previs publicats pel botànic rus Konstantin Mereschkowski (1855-1921) el 1905. Aquesta teoria afirma que algunes parts de la cèl·lula eucariota es van formar directament a partir d’associacions permanents d’organismes procariotes diferents. Posteriorment ha estat demostrat per mètodes moleculars que almenys dos tipus d’orgànuls de la cèl·lula eucariota, els mitocondris i els cloroplasts, procedeixen de bacteris anteriors de vida lliure. El zoòleg Paul Buchner (1886-1978) va observar l’any 1965 una notable varietat d’associacions endosimbiòtiques bacterianes, especialment en insectes, per exemple, entre el bacteri que ara denominem Buchnera –en el seu honor– i els àfids. Aquesta relació és tan estreta que els bacteris estan atrapats dins de cèl·lules especialitzades de l’hoste, denominades bacteriocits, i es transmeten de generació en generació de la mare als fills.

Tots els animals, fongs i plantes, des dels més senzills fins als humans, estem colonitzats per organismes microbians. Els microbis són una part essencial del cos de l’animal, de tal manera que influeixen en l’adaptabilitat a un ambient i, per tant, confereixen trets ecològics als seus hostes. El mutualisme obligat en insectes sembla que permet al seu amfitrió sobreviure amb dietes restrictives que consisteixen normalment en una sola font d’aliment (per exemple, saba, sang o fusta) amb mancança d’aminoàcids, vitamines i altres nutrients. Aquests suplements imprescindibles són proporcionats pels simbionts microbians. Alguns dels molts exemples coneguts són: Buchnera i els àfids, Wigglesworthia i la mosca tsetsè, Blochmannia i les formigues fuster, Carsonella i els psil·lídids, Blattabacterium i la seva associació amb les paneroles xilòfagues i el tèrmit Mastotermes darwiniensis. 

Wolbachia és un altre exemple de bacteri endosimbiont present en una àmplia gamma d’invertebrats. La presència d’aquest microorganisme indueix diferents efectes en els seus hostes. Potser el més destacat és la «incompatibilitat citoplasmàtica», segons la qual, Wolbachia pot modificar els espermatozoides de l’hoste. Així, quan un espermatozoide amb Wolbachia fecunda un òvul no infectat amb aquest bacteri, s’interrompen els passos posteriors de desenvolupament i el zigot no és viable. La incompatibilitat citoplasmàtica confereix un avantatge reproductiu als òvuls infectats, per la qual cosa es promou la propagació de Wolbachia i es garanteix el seu manteniment en les poblacions d’insectes. Altres fenotips comuns deguts al mateix bacteri in­clouen l’eliminació selectiva de la descendència masculina, la conversió de mascles genètics a femelles fenotípiques funcionals i la inducció de la partenogènesi.

En els animals «superiors» també es dóna aquesta cooperació hoste-microbiota. Malgrat el fet que els microorganismes estan presents en abundància a l’intestí, fins fa poc s’havien considerat simples comensals (és a dir, que “menjaven en la mateixa taula”), però sense cap efecte beneficiós o perjudicial per a l’hoste. No obstant això, ara sabem que, en el cas dels humans, la microbiota intestinal és responsable de la maduració del sistema immunitari, i de la digestibilitat d’alguns aliments; i també que participa en la regulació de l’acumulació de greix, i en la inducció de l’expressió de gens específics en les cèl·lules epitelials intestinals. Finalment, la microbiota intestinal també és necessària per a la formació dels villi i del teixit limfoide associat a l’intestí.

Tradicionalment, el neodarwinisme ha mantingut que les mutacions en els gens individuals –el gen nu– són la font principal dels canvis fenotípics que porten a l’adaptació mitjançant la selecció natural. Però no hem d’oblidar el simbioma (tot el material genètic de la microbiota acompanyant) com a possible mecanisme addicional d’evolució i adaptabilitat al medi.

L’últim paràgraf de L’origen de les espècies ha meravellat generacions de científics. I encara ens meravella:

És interessant de contemplar un turó embardissat, cobert de moltes plantes de moltes menes, amb ocells […]. Hi ha grandesa en aquesta concepció que la vida, amb els seus poders diversos, fou insuflada originàriament en unes poques formes o en una sola; i que, mentre aquest planeta ha anat girant d’acord amb la llei fixa de la gravetat, hi evolucionaren i hi evolucionen, a partir d’un començ tan simple, infinitat de formes de les més belles i meravelloses.

Aquesta és la primera vegada, i la darrera, ja que el llibre acaba amb ella, que Darwin utilitza aquesta paraula que ben aviat caracteritzaria tot el seu pensament: «evolució». Pràcticament cap organisme viu aïllat; sempre es troba en un ambient on viuen molts organismes més. L’evolució –com també deia Margalef– ha de ballar al ritme dels canvis constants de l’ambient, i només sobreviuran els organismes més adaptats a un determinat ambient.

Ricard Guerrero. Departament de Microbiologia, Universitat de Barcelona.
Mercè Berlanga. Dep. de Microbiologia i Parasitologia Sanitàries, Universitat de Barcelona.
Carles Puche. Il·lustrador, Barcelona.
© Mètode 73, Primavera 2012.

   

Cooperació i evolució
Cooperación y evolución

© Mètode 2012 - 73. La força del món - Primavera 2012