Sociobiología comparada: Adaptación bacteriana

La Sociobiología estudia la conducta de las poblaciones de seres vivos. No tiene buena prensa en determinados ambientes, porque no diferencia nítidamente conductas humanas (Sociología) y animales (Etología) sin hablar de las microbianas (¿Microetología?). Es difícil admitir la mínima comparación de poblaciones humanas con bacterianas, pero su similitud es una realidad demostrada en numerosos aspectos.

La naturaleza, con su absoluta eficiencia, debe regirse por leyes universales, aunque habitualmente no sepamos “leerlas”. Sería un derroche desarrollar una directriz diferente para cada una de las numerosas actividades producidas por los millones de especies que pueblan el planeta.

En el genoma está la prueba. Monod ya adelantó que un elefante y una bacteria- con una esencia genética idéntica- varían solo en el tamaño. Para la Naturaleza, los genes más importantes son los que aportan las instrucciones de supervivencia, o lo que es igual, de adaptación. Y estas instrucciones son normas generales comunes a todos los seres vivos.

La revolucionaria adaptación al oxígeno – Adaptación bacteriana

La vida al principio era anaerobia, no podía desarrollarse en presencia de una molécula tan venenosa e inestable como era el oxígeno (O2). Solo cuando su concentración en la atmósfera se estabilizó (21 % a nivel del mar), los seres vivos pudieron empezar a adaptarse a su presencia.

Aunque el O2 es considerado vital para el hombre su exceso o defecto pueden resultar letales. Dado que su concentración ambiental y las necesidades son variables, el organismo humano debe poner en marcha mecanismos de constante adaptación.

¿Cómo neutraliza el organismo la toxicidad? El O2 oxida las células generando radicales libres, que en alto nivel produce estrés oxidativo, factor cancerígeno, cardiovascular, de envejecimiento, etc. En el desarrollo evolutivo las células humanas han incorporado sistemas antioxidantes o desarrollado sus propios sistemas como reductores del metabolismo oxidativo. Es el caso del sistema superóxido-dismutasa, el catalasa-peroxidasa o el NADH. Además, algunas células como los eritrocitos, están adaptadas para regular (transformar, acumular, distribuir,…) el flujo a cada órgano de la adecuada concentración de O2.

La maquinaria humana es tan perfecta, que también sabe adaptarse al déficit de oxígeno por escasez atmosférica o diversas patologías. A medida que se sube una montaña, disminuyen la presión atmosférica, la densidad del aire y el volumen de oxígeno. Hasta los 1.000-1.200m la adaptación es inmediata y apenas se nota, pero a partir de los 2000 cuesta más la adaptación humana. Y los que pretendan escalar el Everest necesitarán una aportación complementaria de O2.

¿Cómo se adapta el organismo a la escasez de O2? La hiperpnea o hiperventilación aumenta la presión de oxígeno en los alvéolos para forzar su difusión. Se garantiza su llegada a los diferentes órganos aumentando el gasto cardiaco y un aumento de la diferencia arteriovenosa. Así los tejidos reciben más sangre y extraen más O2. En poco tiempo aumenta la producción de eritrocitos, y hemoglobina, transportadores del O2. A todo lo citado se une el menor consumo por la disminución de la actividad motora debida a la fatiga, como conocen los deportistas de montaña, habitantes del altiplano, etc.

Adaptación bacteriana. Las células más antiguas del planeta fijaban a duras penas el hidrógeno, a costa de un residuo tóxico, el O2. Luego las cianobacterias inventaron un genial sistema; usaron la luz como fuente de energía, y surgió la fotosíntesis sobre la tierra. La concentración de O2 aumentó dramáticamente hasta un insoportable 21 %, letal para las bacterias anaerobias, que eran dominantes. Solo pudieron sobrevivir las que quedaban al abrigo del O2 en determinados nichos. Pero muchas especies bacterianas se adaptaron a vivir en presencia o ausencia de O2; son las aerobias y anaerobias “facultativas”. Incluso algunas evolucionaron, como el hombre, hasta convertirse en aerobias “estrictas”, que no sobreviven sin O2.

¿Cómo nos explicamos que las especies patógenas para el hombre, con las características citadas, puedan infectar a un organismo tan “oxigenado”?. Está claro, por mecanismos de adaptación, sorprendiendo las especies anaerobias, mayoritarias en nichos como el colon o la boca. Pero también son abundantes en áreas tan “aireadas” como la piel y las fosas nasales. En estos nichos, el O2 circulatorio difunde mal y, el que llega, es consumido por las bacterias aerobias, en simbiosis obligada. Es decir, el déficit vascular, presencia de cuerpos extraños y población mixta, reducen el potencial óxido-reducción, facilitando la adaptación de bacterias anaerobias. Y su acción como patógenos oportunistas en infecciones polimicrobianas en heridas, abscesos, etc.

Allí donde queden resquicios de O2 tóxico para los anaerobios, los más patógenos han desarrollado otros mecanismos complementarios de adaptación. La más mínima concentración de O2 induce la producción de superóxido-dismutasa para formar agua oxigenada (H2O2). Este compuesto, también tóxico, es neutralizado a su vez por el sistema catalasa-peroxidasa de las células humanas y de las bacterias anaerobias y aerobias patógenas.

¡Sorpresa! La superóxido-dismutasa se produce por doquier, ¿procede de un ancestro común? Los seres humanos y las bacterias tienen los mismos mecanismos de adaptación, según las circunstancias, ¡como todos los seres vivos!

Comportamiento humano – Adaptación por plasticidad bacteriana

Comportamiento humano, una forma de adaptación. Para los sociobiólogos el comportamiento está condicionado por factores culturales y ambientales; también por sus orígenes evolutivos. En este caso, como admiten muchos, hay que admitir la existencia de patrones de conducta de supervivencia, expresados por la adecuación (“fitness”) evolutiva. Cuando hablamos de poblaciones, el mecanismo evolutivo genético es evidente en la protección de la descendencia. Se comprueba con los humanos, como mamíferos, hormigueros y colmenas por ejemplo.

La adaptación – resistencia de una población está matizada por conceptos como defensa, tolerancia, oposición, competencia, integración, etc., que son la “salsa” de nuestra vida diaria. La adaptación óptima (integración), se refiere al ajuste de un organismo a su ambiente, a veces modificándolo, pero siempre con beneficios para la naturaleza. Al fin y al cabo es una forma de resistir, como vemos en los movimientos migratorios, la vida urbana, el mundo laboral, etc.

Competir es resistir, oponerse, luchar por mejorar y es un componente esencial para el avance social. Las sociedades más desarrolladas tienen un Tribunal de Defensa de la Competencia que favorece la competitividad e impide los monopolios. Es una forma de diversificar, adaptarse y resistir, pero sin dominar, que sería excluyente. El grupo superior y único (monopolio) no necesita competir, no sabe resistir y acaba quebrando. Es un leve reflejo de la ley “antimonopolio” que rige en la naturaleza.

 Adaptación por plasticidad microbiana. Es el mantenimiento de la viabilidad en circunstancias adversas gracias a su extraordinaria plasticidad. La vida microbiana, como la humana, no se entendería sin las relaciones ecológicas de adaptación en simbiosis, sinergismo, parasitismo, etc.

El mundo microbiano es sumamente complejo, pero la microbiota humana puede servirnos de modelo comparativo. El manto bacteriano de piel y mucosas está compuesto por más de mil especies y un número de células superior a las humanas. La diversidad, competencia, adaptación y resistencia son inseparables en la dinámica poblacional normal. Se puede identificar con fenómenos de baja reproducción, latencia y persistencia, formación de quistes o esporas, etc., es decir, de resistencia.

Cuando una especie se hace dominante en un nicho (intestino, tracto urinario,…), el “monopolio” quiebra la normalidad, terminando en la infección. Se extingue el huésped, el patógeno o ambos.

En Medicina se ha terminado por identificar la resistencia bacteriana con la “adaptación de un microorganismo para crecer en presencia de un antibiótico específico”. La resistencia es un conflicto entre dos, uno que resiste frente a algo o alguien que se opone. Como reflexionaba Ortega para la condición humana: “Solo alcanza a recrearse en el vuelo de la paloma sin admirarse de la resistencia que le opone el aire. Sin él no podría volar”.

Estudios de adaptación en humanos – Estudios bacterianos

Estudios de adaptación en humanos. Aunque el desarrollo evolutivo es muy lento, se conoce a través de la antropología, sociología y biología. El ser humano, el mejor estudiado, es un mosaico de poblaciones de células organizadas (tejidos y órganos) y bacterias de la microbiota. Se adaptan a las funciones asignadas (fisiología) como la mejor forma de resistir evitando la patología.

En 1963, Selye describió la reacción humana a la adversidad en tres etapas: alarma, adaptación y agotamiento. Desde entonces se han estudiado numerosos factores desencadenantes (estresores). Pueden ser de naturaleza física, química o psicosocial. Un “estresor” moderado es estimulante para la adaptación-competición, pero el excesivo en intensidad y tiempo, provoca estrés y enfermedad.

Todos hemos sufrido trastornos digestivos, caída de pelo o depresión ante un examen o tras un problema familiar o laboral. Estrés y enfermedad traducen la afectación de la “población” celular de todos los órganos. Está demostrada la participación del hipotálamo, sistema nervioso autónomo y médula suprarrenal con liberación de múltiples hormonas reguladoras y diversos neuropéptidos. Si un animal sin suprarrenal es sometido a cierto grado de estrés, hace un cuadro agudo de hipotensión e hipoglucemia letal. Podemos decir entonces que la acción suprarrenal, por ejemplo, supone una ventaja de adaptación en el sistema evolutivo.

Además, el hombre se desarrolla en grupos sociales (familias, ciudades,…), adaptándose a los conflictos cotidianos para resistir y sobrevivir más y mejor. Cuando el conflicto y la presión son generales, como en la hambruna, guerras, catástrofes, etc., se producirá estrés social. Ya se investigan los límites de la adaptación-resistencia humana en la pandemia actual bajo múltiples epígrafes. Solidaridad, inmunidad de grupo, estrés social o cambios sociológicos son algunos.

Estudios bacterianos. El estrés es un mecanismo de adaptación- resistencia común a todos los seres vivos. Lo que no está claro es que este mecanismo tenga un ancestro común o que cada especie haya creado su propio sistema. En todo caso es llamativo su parecido.

El fenómeno se ha estudiado sobre todo en la especie E. coli y sus características son, presumiblemente, generalizables a otras bacterias patógenas. Ante factores estresantes internos (alteraciones ADN o metabólicos) o externos (nutrientes, antibióticos,…) se expresa una proteína, que activa genes y otras estructuras reguladoras. El resultado es la esporulación o condensación del citoplasma, cambios morfológicos, expresión no habitual de genes, etc.

El campo mejor conocido científicamente de adaptación-resistencia es el bacteriano bajo la presión de los antibióticos. Se ha podido definir, delimitar, cuantificar, reproducir y, en muchas ocasiones, prevenir. Uno de los mecanismos de resistencia a los antibióticos es el SOS.

Ante una lesión del ADN, se inicia una especie de fase de alarma. Se sintetizan proteasas inhibidoras de los represores del sistema SOS, que quedaría activado. Entonces la bacteria fabrica enzimas para la reparación por derivación o por escisión del ADN dañado (fase de adaptación) resistente al antibiótico “estresor”.

La fase de “agotamiento” se expresa como coste biológico, que depende del tipo y grado de reparación. Si es por derivación, la bacteria se adapta mal al resto de población bacteriana, no es competidora, es un intento fallido de resistencia. La reparación por escisión es más eficaz para la célula resistente. La población normal es eliminada por el antibiótico y la bacteria resistente por el sistema SOS se puede convertir en dominante.