La curva del crecimiento bacteriano.

El premio Nobel de Medicina Jacques Monod resume en este artículo de 1949, un hecho bien conocido en el campo de la microbiología: La curva de crecimiento bacteriano. Hoy utilizaré esta sencilla analogía para explicar fenómenos históricos que serían complicados de explicar de otra manera. Prestaremos atención a los conceptos más que a las particularidades. Para comenzar mire este corto video.

Las bacterias se reproducen de manera asexual, o sea mediante fisión binaria. Esta se refiere a la repartición equitativa de sus componentes celulares y copias exactas de su material genético en dos células hijas. Aunque las bacterias también utilizan mecanismos similares a la tentación del sexo para intercambiar material genético (como por ejemplo para adquirir resistencia a los antibióticos), no trataré este punto a pesar de su obvio interés. Baste decir que cuando existen condiciones óptimas de alimento, acidez, oxígeno y humedad (el Paraíso), las bacterias toman nutrientes, aumentan su tamaño, duplican su material genético y lo reparten por igual en dos células hijas de igual tamaño que cada una porta una copia idéntica de su ADN. Si las condiciones se mantienen, cada célula hija sería capaz de originar otras 2 células hijas. En el caso de Escherichia coli (un habitante de nuestro intestino) tarda aproximadamente media hora en dividirse bajo condiciones óptimas.

La siguiente tabla resume el proceso en su parte exponencial:

División número Número de células
0 1 bacteria = 20
1 (primera división) 2 bacterias = 21
2 (segunda división) 4 bacterias = 22
3 (tercera división) 8 bacterias = 23
4 (cuarta división) 16 bacterias = 24
5 (quinta división) 32 bacterias = 25
n (enésima división) 2bacterias  

La conclusión es que por n número de divisiones, habrá teóricamente 2n células asumiendo que las condiciones óptimas se mantengan.

El poder calcular el número final de bacterias luego de determinado número de divisiones con elevar la base 2 al exponente n, es lo que define aquella parte de la curva de crecimiento bacteriano llamada EXPONENCIAL, logarítmica o vegetativa (recordemos que el término ‘logaritmo’ es sinónimo de ‘exponente’).

Crecimiento-Bacteriano6
Curva de crecimiento bacteriano en ausencia de competidores tal como le sucedería a un depredador en el nivel superior de una cadena alimenticia.

Pero esta etapa corresponde sólo a aquel trozo de la curva demarcada con el número 3. Monod nos resume las otras etapas que también son muy interesantes. Vamos a anotar algunas características para entender qué sucede.

Etapa 1 (etapa de adaptación). Si uno mira la curva plana que comienza a moverse de izquierda a derecha y la densidad bacteriana ni aumenta ni disminuye, da la sensación de que nada está pasando. Pero no. ¡muchísimo está pasando!. De aquí Jacques Monod junto con su colega Francois Jacob sacaron el Premio Nobel. – Resulta que las bacterias fundadoras las que estaban descansando en algún lugar y fueron puestas en condiciones de cultivo, lo primero que hacen es averiguar qué comida hay, qué recursos se pueden utilizar y basadas en esto adaptan su maquinaria metabólica para utilizar las condiciones disponibles. Hacen lo del dicho “Si del cielo te caen limones, aprende a hacer limonada”. Los Nobelistas Jacques Monod y Francois Jacob fueron premiados por descubrir el mecanismo genético que permite a las bacterias ‘hacer limonada si del cielo les caen limones’.  Entonces, aparentemente no está pasando nada pero está sucediendo un proceso de adaptación muy importante para utilizar mejor los recursos disponibles.

Etapa 2 (aceleramiento del crecimiento). En esta etapa las bacterias ya han adaptado su maquinaria metabólica que les permitirá utilizar el carbono y aminoácidos disponibles. Su multiplicación se muestra por una curva de densidad bacteriana ascendente aunque no es línea recta todavía (en escala logarítmica).

Etapa 3 (crecimiento exponencial o logarítmico). Es la etapa más famosa por la impresión que causa, y la más temible por su vertiginoso ascenso. De hecho, es la que motiva que escriba estas líneas. Su cinética tan matemáticamente atractiva será el tema de una serie de videos muy reveladora (Charla del Profesor Albert A Bartlett, University of Colorado. Aritmética, Poblaciones y Energía). Aquí las bacterias consumen a un ritmo constante los recursos, crecen a un ritmo acelerado y dan origen a células hijas que repiten el ciclo a una velocidad constante gracias a la abundancia de recursos. Cuando esta curva se gráfica en papel logarítmico (arriba) y manteniendo el tiempo (x) a escala lineal, se observa como la densidad bacteriana (y) origina una línea recta ascendente. Pero si graficáramos la densidad bacteriana (y) a escala lineal vemos que los números suben vertiginosamente y atraviesan el techo (no mostrado). Quizás la representación a escala logarítmica es menos dramática y no parece que el crecimiento logarítmico sea un problema pero es una realidad muy importante de comprender. El crecimiento logarítmico es un poco pecaminoso como veremos.

Etapa 4 (desaceleración del crecimiento). Las bacterias que venían creciendo a un ritmo sostenido gracias a la abundancia de recursos, deben desacelerar cuando éstos se agotan, los desperdicios se acumulan, la acidez aumenta, el oxígeno no se puede utlizar. Algunas bacterias dejan de crecer, otras logran captar pocos recursos y pueden crecer aunque lentamente. Por eso la curva se observa aplanándose, es la víspera del ocaso (el Infierno).

Etapa 5 (fase estacionaria). En esta fase los recursos se agotan, la mayoría de las bacterias están vivas pero ya no pueden ‘tener hijas’. Se mantienen vivas de milagro, consumen lo mínimo para subsistir, “viven del rebusque”, algunas logran adaptarse, cortan gastos superfluos, comen de sus propios recursos o de los desperdicios de las demás, consumen menos oxígeno. Las adaptaciones frente a la escacés es muy diversa como por ejemplo algunas bacterias pueden revertir a su estado anterior si las condiciones mejorasen como se presenta en casos de hibernación como los enquistamientos y esporulación de Bacillus subtilis (fenómeno conocido como ‘starvation survival’). Pero hay otras menos afortunadas pues a pesar de hibernar no pueden tener hijas aun si mejoran las condiciones ambientales, estado que se conoce como “Viable Pero No Cultivable” en Vibrio vulnificus. – Por lo general, estas adaptaciones funcionan para una minoría, a la mayoría simplemente le espera la muerte.

Etapa 6 (fase de muerte). En esta fase se evidencia el golpe de gracia final: la muerte. Es cierto que algunas bacterias pueden entran a estados de recesión económica pero muchas no logran adaptarse y sucumben a la acumulación de desechos tóxicos, acidez, escacés de fuentes de carbono asimilables, incapacidad de utilizar el oxígeno y otros factores. Al final, la vida no se sostiene de la nada.


Habiendo introducido esta curva podremos hablar del crecimiento poblacional en similares escenarios, la pregunta que queda es: ¿hay evidencia de estas etapas en poblaciones humanas?. La respuesta corta es sí pero es más interesante la respuesta larga. En otras entradas examinaremos en insectos, mamíferos y humanos las etapas más interesantes de esta curva como son la etapa de crecimiento logarítmica (etapa vegetativa) y el colapso poblacional por escacés de recursos.

La pregunta de fondo es:

  • ¿Están las élites tomado cartas en el asunto? Respuesta: Si, se llama Agenda 21.
  • O más bien, ¿se han dormido en los laureles?. Por mucho tiempo si al punto que ahora estamos atendiendo una emergencia pues el planeta está colapsando.

PREGUNTAS PARA LOS LECTORES DE LA BIBLIA

  • ¿Cómo llamaríamos a una especie bacteriana como la descrita arriba que crece aceleradamente y conduce al colapso de su medio de cultivo y al de su propia población? – Respuesta: Caín.
  • ¿Cómo llamaríamos a la especie bacteriana que por una mutación o por consumir pocos recursos creciese tan lentamente que el colapso de su medio de cultivo es tan remoto y demorado en suceder?  Respuesta: Abel.
  • ¿Cómo se llaman las bacterias fundadoras? Respuesta: Adán y Eva.
  • ¿Cómo se llama toda esa dinámica altamente previsible de poner a una bacteria fundadora en un Paraíso de medio de cultivo rico en nutrientes, y que por la tentación de aumentar su prole y consumo de recursos termina por convertir todo en un Infierno, de escacés, desolación, crimen, enfermedad y muerte? – Respuesta: Pecado Original.
  • Si usted fuera Dios, ¿a cuál preferiría? ¿A la que demora en colapsar su medio de cultivo? ¿O a aquella que lo hace rápida- y eficientemente, estimulando su crecimiento poblacional y económico a través del aumento de bienes y servicios?  – Respuesta: Si usted fuera Dios preferiría a Abel tal como está escrito en el Génesis.
  • Pero ser Abel no es muy sexy, cierto? Ser primitivo, atrasado y producir pocos bienes o servicios nada tiene de atractivo.
  • Si usted fuera Caín, ¿cómo podría seguir creciendo? Respuesta: Matando a Abel.
  • ¿Qué pasaría si luego de matar a Abel, Caín quiere seguir creciendo? ¿Qué debe hacer? – Respuesta: Caín debe matar a Caín. O mejor dicho, hacer lo que hizo Noé con su Arca: Salvar su pellejo, el de algunos seres vivos bien seleccionados y dejar que los demás Caínes perezcan en el Diluvio. – En microbiología a esto lo llamamos SUBCULTIVO. Se selecciona una colonia, lo demás se echa a la basura.
  • ¿Está sucediendo en la vida real? Parece que sí.
  • ¿Cómo se llama? Agenda 21 y Desarrollo Sostenible.

 

 

 

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7 respuestas a “La curva del crecimiento bacteriano.

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