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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” - PowerPoint PPT Presentation
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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
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
Populações
Nichos
Habitat
Ecossistemas
Paisagem
Biomas
Biosfera
Nucleotídeos
Genes
Cromossomos
Indivíduos
Populações
...
Indivíduo
Espécie
População
Gênero
Família
Filo
Reino
Hierarquias
Diversidade de ecossistemas
Diversidade entre espécies
Diversidade genética
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
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, EPínus 2: espécies A, C, G, I, SPínus 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.
Quantificação da diversidade: efeitos de escala
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, EPínus 2: espécies A, B, C, D, EPínus 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 suadiversidade microbianaA 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.
Exemplos
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 4 3000 50 1000 Fraca
Fungos 72 2700 200 1500 Moderada
Protozoários 40 200 60 200 Fraca
Algas 40 1000 150 400 Fraca
Plantas 270 500 300 320 Boa
Insetos 950 100000 2000 8000 Moderada
Amplitude (cont.)
< 5% das espécies foram isoladas em cultura pura (baseada em análises de DNA do ecossistema).
Dificuldades
2. Questões taxonômicas
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....
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
Culturabilidade
Archaea ocorrem em ambientes extremos
Salinas, vulcões e fontes termais
Técnicas molecularesindicam sua presença em
águas marinhas e doces
Não tendo ainda sido isoladas
PCR
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.
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
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
ProtozoáriosNematóidesAlgasFungosMicro artrópodes
Protozoários
~200.000 espécies?
Nematóides
~400.000 espécies?
~400.000 espécies?
Algas
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.
Como a abundância afeta este balanço?
Diversidade genética elevada resulta da presença de populações elevadas que tem capacidade de sofrer elevadas taxas de mutações.
Fatores que controlam a diversidade
Balanço entre:
Especiação
Taxas de extinção
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
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.
(Heterogeneidade de habitats)
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 masnão 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
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.
Microrganismos
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
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