Tu intestino es el hogar de la locura microbiana. Cientos de billones de bacterias que pertenecen a innumerables especies interactúan entre sí de formas complejas que pueden mantenerlo saludable y causar enfermedades. Desentrañar estas interacciones parecería una tarea imposible.
Ahora, los microbiólogos han encontrado ayuda en una fuente poco probable: la física. Un nuevo experimento sugiere un poderoso concepto conocido como transición de fase que puede predecir cómo se comportan los ecosistemas complejos, como los compuestos por las bacterias en su vientre. El hallazgo podría ayudarnos a mantener nuestros intestinos sanos e incluso proteger otros ecosistemas complejos como las selvas tropicales y los arrecifes de coral.
“Es un trabajo hermoso”, dice Fernanda Pinheiro, física que estudia ecología y fisiología bacteriana en el Tecnópolis Humano, que no participó del trabajo.
Una transición de fase en física funciona así: todo lo que realmente necesita saber sobre grandes colecciones de partículas, ya sea el 1023 las moléculas en un vaso de agua son líquidas o sólidas, por ejemplo, o si los innumerables átomos en un metal se organizarán en un imán, a menudo se controla mediante algunos factores simples, como la temperatura y la presión. Teóricos que se remontan a la década de 1970 han sugerido de manera similar dos factores: el número total de especies y la fuerza de las interacciones entre especies podrían predecir si los sistemas vivos complejos, como las miles de especies en una selva tropical, permanecerá estable.
Pero probar tales teorías ha resultado ser un desafío. Eso se debe a que, por lo general, no hay forma de manipular experimentalmente el tamaño de las poblaciones o las interacciones entre especies en los ecosistemas naturales. “No tienes una perilla que puedas girar que haga que los leones coman mejor a las cebras”, dice Seppe Kuehn, ecologista de la Universidad de Chicago que no participó en el estudio.
Para resolver el problema, el físico Jeff Gore y sus colegas del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) crearon ecosistemas a medida en el laboratorio. Recolectaron 24 especies bacterianas del suelo de una reserva natural en el área de Boston y robaron otras 24 de las tripas de los nematodos. Hicieron crecer los microbios juntos en pozos de plástico y aumentaron y disminuyeron la concentración de nutrientes para manipular la fuerza con la que las diferentes especies interactuaban entre sí. Cuantos más nutrientes, más competían las diferentes especies.
Los ecosistemas experimentales pasaron por tres fases distintas a medida que aumentaba el número de especies en la mezcla o la intensidad de las interacciones entre especies. Al principio, la población de todas las especies se mantuvo estable. Luego, cuando el número de especies o las interacciones entre especies cruzaron un cierto umbral, el sistema entró abruptamente en una nueva fase en la que algunas especies comenzaron a extinguirse. A medida que los experimentadores seguían agregando especies y aumentando los niveles de nutrientes, el sistema pasó a una tercera fase: las poblaciones de las especies restantes comenzaron a fluctuar enormemente, lo que indica que el ecosistema en su conjunto había perdido estabilidad.
El resultado: solo dos variables, el número de especies y la fuerza de interacción promedio, determinaron si una mezcla de diferentes microbios sería estable o caótica, dice el autor del estudio, Jiliang Hu, estudiante graduado de ingeniería mecánica en el MIT.
El artículo, publicado hoy en Cienciases el primero en informar transiciones de fase replicables basadas en interacciones de especies y diversidad en comunidades con más de un puñado de especies, dice Kuehn.
Los teóricos han sospechado durante mucho tiempo que las fluctuaciones como las que encontró el equipo de Gore pueden permitir la coexistencia de un gran número de especies, porque cuando la población de una especie cae a un nivel bajo, podría crear espacio para que crezca otra. El estudio «da motivos para esperar que esa fase también pueda existir en las comunidades naturales», lo que podría ayudar a explicar por qué tantas especies pueden coexistir en los ecosistemas del mundo real, dice Daniel Fisher, físico de la Universidad de Stanford, que no estaba involucrado con la obra.
Pero en la naturaleza, los organismos viven en entornos con estructuras espaciales complicadas e influencias externas que el equipo de Gore no examinó, señala Fisher. Por ejemplo, el intestino se divide en diferentes regiones y se inunda constantemente con nutrientes, productos químicos y agua. Debido a tal complejidad, dice Fisher, «ya sea [the finding] es relevante para cualquier cosa en el mundo real está en el aire”.
Sin embargo, el trabajo es “un paso muy importante”, dice Ophelia Venturelli, bioquímica de la Universidad de Wisconsin, Madison, que no participó en el estudio. El avance podría, por ejemplo, ayudar a los investigadores a diseñar mezclas de bacterias intestinales que se mantendrán saludables y resistirán el control de patógenos como Clostridium difficileque puede causar diarrea severa y dolor e incluso la muerte, dice ella.
Como próximo paso, Venturelli espera que los investigadores documenten las transiciones de fase microbiana en las entrañas de ratones de laboratorio u otros ecosistemas menos artificiales. “Estaría muy emocionado de probar algunas de estas ideas que el equipo de Jeff ha descubierto en entornos más realistas”.
El estudio también podría proporcionar una base para evaluar la probabilidad de que una comunidad bacteriana desarrolle resistencia a los antibióticos, dice Pinheiro. “El hecho de que encuentren patrones” en los ecosistemas microbianos, dice, “inspirará mucho trabajo”.
