La biogeografía microbiana es un subconjunto de la biogeografía , un campo que estudia la distribución de los organismos en el espacio y el tiempo. [1] Aunque 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 más pequeñas, conocida como "biogeografía microbiana", es posible gracias a los avances en curso 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 obstaculizan la biodiversidad . [2] La biogeografía microbiana también permite predecir dónde pueden sobrevivir ciertos organismos y cómo responden a entornos cambiantes, lo que la hace aplicable a varios otros campos, como la investigación sobre el cambio climático.
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 medio ambiente selecciona". [5] Baas Becking atribuyó la primera mitad 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]
La biogeografía de los macroorganismos (es decir, plantas y animales que se pueden ver a simple vista) se ha estudiado 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 surgir tanto de entornos pasados como actuales. Por ejemplo, los osos polares viven en el Ártico pero no en la Antártida , mientras que lo contrario es cierto para los pingüinos ; aunque tanto los osos polares como los pingüinos se han adaptado a climas fríos durante 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 los entornos actuales). Esto demuestra el patrón biogeográfico conocido como "aislamiento con distancia geográfica" por el cual la capacidad limitada de una especie para dispersarse físicamente a través del espacio (en lugar de cualquier razón genética selectiva ) restringe el rango geográfico en el que se puede encontrar. [ cita requerida ]
La biogeografía de microorganismos (es decir, organismos que no se pueden ver a simple vista, como hongos y bacterias) es un campo emergente que ha sido posible gracias a los avances en las tecnologías genéticas, en particular la secuenciación de ADN más barata y de 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 una falta de patrones biogeográficos debido a la alta dispersabilidad y los grandes tamaños de población de los microbios, que se esperaba que en última instancia hicieran que la distancia geográfica fuera irrelevante. De hecho, en ecología microbiana, el dicho tan repetido de Lourens Baas Becking de que "todo está en todas partes, pero el entorno selecciona" ha llegado a significar que, mientras el entorno sea ecológicamente apropiado, las barreras geológicas son irrelevantes. [12] Sin embargo, estudios recientes muestran evidencia clara de patrones biogeográficos en la vida microbiana, que desafían esta interpretación común: la existencia de patrones biogeográficos microbianos cuestiona 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 descomposición de 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 dispersabilidad (global vs. local). Sin embargo, existen diferencias importantes entre los patrones biogeográficos de microorganismos y macroorganismos, y probablemente resulten de diferencias en sus procesos biogeográficos subyacentes (p. ej., 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 pueden encontrarse tanto en el hemisferio norte como en el sur, mientras que los animales más grandes suelen encontrarse 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 se consideran típicamente para los macroorganismos. Por ejemplo, la diversidad bacteriana del suelo está determinada por el aporte de carbono y la conectividad en hábitats acuáticos a microescala. [16]
Los organismos más grandes tienden a exhibir gradientes latitudinales en la diversidad de especies , con una mayor biodiversidad existente en los trópicos y disminuyendo hacia las regiones polares más templadas. Por el contrario, los estudios sobre las comunidades fúngicas de interiores [14] y los microbiomas globales de la capa superficial del suelo [17] encontraron que la biodiversidad microbiana era significativamente mayor en las zonas templadas que en los trópicos. Curiosamente, diferentes edificios exhibieron la misma composición fúngica de interiores en cualquier ubicación dada, donde la similitud aumentó con la proximidad. [14] Por lo tanto, a pesar de los esfuerzos humanos para controlar los climas interiores, los entornos exteriores parecen ser el determinante más fuerte de la composición fúngica de interiores. [14] Por otro lado, el fuerte patrón biogeográfico de las bacterias del suelo generalmente se atribuye 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]
Ciertas poblaciones microbianas existen en hemisferios opuestos y en latitudes complementarias. Estas distribuciones "bipolares" (o "antitropicales") son mucho más raras en los macroorganismos; aunque estos presentan gradientes de latitud, el "aislamiento por distancia geográfica" impide las distribuciones bipolares (por ejemplo, los osos polares no se encuentran en ambos polos). En cambio, un estudio sobre bacterias marinas superficiales [15] mostró no solo un gradiente de latitud, sino también distribuciones de complementariedad con poblaciones similares en ambos polos, lo que sugiere que no existe "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 velocidades elevadas y a grandes distancias al viajar a través de la atmósfera. [ cita requerida ]
La diversidad microbiana puede exhibir patrones estacionales sorprendentes en una única ubicación geográfica. Esto se debe en gran medida 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 al cambio. [23]
La panspermia sugiere que la vida puede distribuirse por todo el espacio exterior a través de cometas , asteroides y meteoroides . La panspermia supone que la vida puede sobrevivir al duro entorno espacial, que presenta condiciones de vacío, radiación intensa, temperaturas extremas y escasez de nutrientes disponibles. Muchos microorganismos pueden evadir dichos factores estresantes formando esporas o entrando en un estado de latencia de bajo metabolismo. [24] Los estudios en biogeografía microbiana incluso han demostrado 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 se puede aplicar a la panspermia, ya que predice que los microbios pueden protegerse del duro entorno espacial, saben emerger cuando las condiciones son seguras y también aprovechan su capacidad de latencia para mejorar la biodiversidad dondequiera que aterricen. [ cita requerida ]
La panspermia dirigida es el transporte deliberado de microorganismos para colonizar otro planeta . Si se pretende colonizar un entorno similar a la Tierra, la biogeografía microbiana puede informar las decisiones sobre la carga biológica de dicha misión. En particular, los microbios muestran rangos latitudinales de acuerdo con la regla de Rapoport , que establece que los organismos que viven en latitudes más bajas (cerca del ecuador ) se encuentran dentro de rangos de latitud más pequeños que los que viven en latitudes más altas (cerca de los polos). Por lo tanto, la carga biológica ideal incluiría microorganismos generalizados de latitudes más altas que puedan tolerar una gama más amplia de climas. Esta no es necesariamente la opción obvia, ya que estos organismos generalizados también son raros en las comunidades microbianas y tienden a ser competidores más débiles cuando se enfrentan 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 sin vida con condiciones ambientales inciertas. Los extremófilos , aunque lo suficientemente resistentes como para soportar el entorno espacial, pueden no ser ideales para la panspermia dirigida, ya que cualquier 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 de nuestro Sistema Solar , podría ser posible seleccionar una especie extremófila específica para el entorno objetivo bien definido. [ cita requerida ]
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