Diversidade microbiana

Maior diversidade da vida é microbiana Microrganismos vem se diversificando há cerca de 3,8 bilhões de anos, ao contrário dos macro-organismos que se diversificam há apenas 600 milhões anos. “A maior parte da diversidade microbiana ainda está para ser descoberta” Atlas e Bartha,1998

Diversidade bacteriana em placa dental humana. Microbiana Diversidade bacteriana em placa dental humana. Estimativa da diversidade total na cavidade oral é de aproximadamente 500. Baseado no 16S DNA ribossômico (rDNA) J. Bacteriol. 2001;183(12):3770-3783.

O que é diversidade? É a variabilidade entre microrganismos em nível de genes, entre espécies e nos ecossistemas. (Convenção biológica da Biodiversidade, 1992, ECO-92). Esta definição unifica os três níveis tradicionais de diversidade entre seres vivos: diversidade genética - diversidade dos genes em uma espécie. diversidade de espécies - diversidade entre espécies. diversidade de ecossistemas - diversidade em um nível mais alto de organização, incluindo os outros níveis de variação.

Componentes da diversidade Hierarquias Diversidade de ecossistemas Diversidade entre espécies Diversidade genética Populações Nichos Habitat Ecossistemas Paisagem Biomas Biosfera Indivíduo Espécie População Gênero Família Filo Reino Nucleotídeos Genes Cromossomos Indivíduos Populações ...

Quantificação da diversidade: efeitos de escala Whittaker, 1972 Diversidade alfa Dentro de uma comunidade ou de um habitat (local) Número de espécies (riqueza) em uma área delimitada e uniforme. Diversidade gama Número de espécies presentes em todos os habitats em uma região geográfica. Diversidade beta Ao longo de um gradiente, de um habitat para outro Relação entre a diversidade gama e alfa

Quantificação da diversidade: efeitos de escala Exemplo: Imaginemos que queremos estudar adiversidade de fungos nas raízes de pínus. Selecionamos 3 exemplares de pínus e isolamos 5 fungos para cada exemplar de pínus: Pínus 1: espécies A, B, C, D, E Pínus 2: espécies A, C, G, I, S Pínus 3: espécies A, B, C H, T Temos assim uma diversidade alfa média de 5 espécies. No entanto, o número total de espécies de fungos é de 10 (A, B, C, D ; E, G, I, H, S, T): diversidade gama. Como se pode observar, em cada exemplar de pínus surgem novas espécies de fungos. A variação da composição de espécies numa região é a diversidade beta. É usada como uma medida de heterogeneidade.

Como se quantifica a diversidade beta? Uma modificação da medida originalmente proposta por Whittaker (1972) é: beta = (gama / alfa ) – 1 Vejamos o exemplo anterior: beta = (10 / 5 ) – 1 = 1 Se tivermos uma situação de baixa heterogeneidade espacial, com as mesmas espécies ocorrendo em todos os locais: Pínus 1: espécies A, B, C, D, E Pínus 2: espécies A, B, C, D, E Pínus 3: espécies A, B, C, D, E Temos, alfa = 5; gama = 5 e, beta = (5 / 5 ) – 1 = 0 ou seja, é necessária uma substituição local de espécies ao longo de um gradiente regional para que tenhamos elevada diversidade beta e consequentemente uma elevada diversidade regional.

Importância da diversidade microbiana - Na produtividade dos ecossistemas É possível avaliar a produtividade de um solo avaliando a sua diversidade microbiana A diversidade microbiana aumenta a diversidade das plantas - Na sustentabilidade dos ecossistemas A diversidade tem um enorme impacto na dinâmica do ecossistema e na conservação do solo (evita erosão)

Dificuldades na avaliação 1. Amplitude da diversidade Áreas de mega diversidade - “hot spots” Carência de metodologias A diversidade microbiana é pouco conhecida, mas é maior do que a das plantas e animais Hot spot é uma área prioritária para conservação, de alta biodiversidade e ameaçada no mais alto grau. No Brasil são a Mata Atlântica e o Cerrado.

Cursos de água Exemplos Solo COMPLEXIDADE Solo (rizosférico): 109 /g Cursos de água Doce: 106 - 107/mL Oceanos: 105 - 106 /mL Solo COMPLEXIDADE 105-106 diferentes genomas do tamanho de E. coli por grama

Número de espécies (x1.000) descritas e estimadas da riqueza específica para alguns grupos de organismos vivos Hawksworth & Kalin-Arroyo, 1995 organismo Espécie descrita Número estimado Precisão   superior inferior trabalho Vírus 4 1000 50 400 Fraca Bactérias 3000 Fungos 72 2700 200 1500 Moderada Protozoários 40 60 Algas 150 Plantas 270 500 300 320 Boa Insetos 950 100000 2000 8000  

Amplitude (cont.) < 5% das espécies foram isoladas em cultura pura (baseada em análises de DNA do ecossistema).

2. Questões taxonômicas Dificuldades Conceito de espécie em bactérias? Discrepâncias entre espécies antigas e atuais Falta de taxonomistas particularmente em países com elevada diversidade. Países tropicais cobrem apenas 6 % da área do globo e incluem 50 % das espécies

Conceitos de espécie Espécie biológica - grupo de populações naturais que trocam material genético Espécie evolucionária - linhagem de populações que tem uma relação específica com antecessor e que dispõem de tendências evolutivas e históricas próprias. Espécie filogenética - menor grupo que dispõe do mesmo padrão de descendência e ancestralidade. Espécie de reconhecimento - menor grupo que se reconhece entre si para finalidade de cruzamento e fertilização. Morfológica, Coesão....

3. Questões metodológicas Dificuldades 3. Questões metodológicas Uso de técnicas clássicas de cultura pura *Culturabilidade *Viáveis mas não cultiváveis Distribuição não homogênea no ambiente. Amostragem

Culturabilidade Ambiente Culturabilidade (%) Oceanos e mares 0,001-0,1 Águas continentais 0,25 Lagos mesotróficos 0,1-1 Estuários 0,1-3 Lodos ativados 1-15 Sedimentos 0,25 Solo 0,3

Salinas, vulcões e fontes termais Culturabilidade PCR Archaea ocorrem em ambientes extremos Técnicas moleculares indicam sua presença em águas marinhas e doces Salinas, vulcões e fontes termais Não tendo ainda sido isoladas

4. A diversidade envolve dois componentes: Dificuldades 4. A diversidade envolve dois componentes: Variedade Abundância relativa Quem são? Quantos são? O que acontece? Assim, nem sempre o número de espécies em uma comunidade é adequado para descrever diversidade. Portanto, as espécies não contribuem de maneira igual na estimativa de diversidade total.

5. Erosão da própria diversidade Dificuldades 5. Erosão da própria diversidade A biodiversidade não é estática. É um sistema em constante evolução das espécies. A meia-vida média de uma espécie é de um milhão de anos: - 99% das espécies que já viveram na Terra estão hoje extintas.

Documentação Manual de Bergey Bactérias www.tolweb.org Cada grupo tem uma referência que inclui todas as espécies isoladas em cultura pura. Cada espécie tem um tipo que determina o padrão. A maioria das espécies tem variabilidade (estirpes) Ex: Escherichia coli Manual de Bergey Bactérias www.tolweb.org

Diversidade eucariontes Protozoários Nematóides Algas Fungos Micro artrópodes

Protozoários ~200.000 espécies?

Nematóides ~400.000 espécies?

Algas ~400.000 espécies?

Fungos ~1.500.000 espécies?

Inesperada diversidade recentemente descoberta do picoplâncton (< 2µm) nos oceanos. Elevou de forma surpreendente as estimativas de diversidade entre os eucariontes.

Teorias sobre diversidade Especiação Fatores que controlam a diversidade Balanço entre: Taxas de extinção Como a abundância afeta este balanço? Diversidade genética elevada resulta da presença de populações elevadas que tem capacidade de sofrer elevadas taxas de mutações.

Solos/sedimentos versus marinhos/aquáticos Outros fatores Competição por recursos limitados (C, N, P): “apenas melhores competidores persistem” Solos/sedimentos versus marinhos/aquáticos Parasitismo e predação reduzem a diversidade: “a medida que os melhores competidores aumentam suas populações, são mais afetados pelos predadores e parasitas” Protozoários e vírus

(Heterogeneidade de habitats) Teoria dos nichos (Heterogeneidade de habitats) Duas espécies não podem coexistir se ocupam o mesmo nicho. O melhor competidor levará o pior à extinção. Habitats heterogêneos tem maior número de nichos do que habitats homogêneos.

Importância da diversidade nos ecossistemas Para entender o papel da diversidade no funcionamento dos ecossistemas, realizaram-se experimentos mantendo os fatores abióticos constantes, manipulando-se apenas as espécies utilizadas. Os efeitos positivos da diversidade foram revelados na: Produtividade Decomposição Respiração total da comunidade Ciclagem, absorção e fluxo de nutrientes Resistência à invasão biológica Previsibilidade Estabilidade

Os experimentos demonstram uma variedade complexa de relações. Surgiram várias hipóteses sobre os padrões observados.

Hipótese rebite: Certas espécies são críticas para a integridade de um ecossistema. Hipótese redundante (diversidade funcional) Existem espécies extras no ecossistema para épocas de estresse, proporcionando estabilidade. Uma mesma função é executada por diferentes espécies –resultado da diversidade genética.

Catalogamos e contamos os planetas que existem no Universo mas não conseguimos ainda saber quantos seres vivos existem na Terra.

Apenas há poucos anos percebemos a importância dos microrganismos nos ecossistemas. “Os microrganismos tem um papel ecológico muito mais importante no ambiente natural do que seus tamanhos pequenos sugerem” (Brock et al., 1988)

Microrganismos Elevado número de espécies Os seres mais antigos no planeta 3,5 bilhões de anos de evolução Elevado número de nichos ocupados Elevada taxa de dispersão (cosmopolitas) Baixas taxas de extinção Transferência lateral

Ampla diversidade morfológica

Ampla diversidade genética

Ampla diversidade metabólica

Microrganismos são eficientes produtores primários

Microrganismos são pequenos .... Mas ....

... podemos contar ou detectar seus efeitos,

... podemos vê-los a 800 Km de distância

Salinas Santa Pola - Espanha

Minas Rio Tinto - Espanha

Microrganismos Compreender a distribuição e ecologia básica de um dos grupos mais abundantes e diversos de organismos na Terra é ainda um item crucial e não resolvido na pesquisa ambiental.

Diversidade microbiana é a menos estudada Maior parte dos trabalhos provem de estudos com insetos, plantas e aves (seres terrestres)

Importância da diversidade para o homem Valor utilitário Uso direto Alimentos e medicinais Agentes de controle biológico Insumos industriais Ecoturismo Uso indireto Regulação atmosférica Regulação climática Ciclagem dos nutrientes Fotossíntese Formação e conservação do solo Valor não utilitário Manutenção para o futuro Valor intrínseco – questão de ética

Avaliação da diversidade Não existe uma única forma, porém diversas medidas com diferentes facetas Próxima aula