Origen de la célula: principales teorías (procariota y eucariota)
El origen de la célula se remonta a más de 3.500 millones de años de antigüedad. La manera en que estas unidades funcionales se originaron ha despertado la curiosidad de los científicos desde hace varios siglos.
El origen de la vida per se vino acompañado del origen de las células. En un ambiente primitivo, las condiciones ambientales eran muy diferentes a las que observamos hoy en día. La concentración de oxígeno era prácticamente nula, y en las atmosfera dominaba otra composición de gases.
Distintas experiencias en el laboratorio han comprobado que bajo las condiciones ambientales iniciales de la Tierra es posible la polimerización de varias biomoléculas características de los sistemas orgánicos, a saber: aminoácidos, azúcares, etc.
Una molécula con capacidad catalítica y de replicarse a sí misma (potencialmente, un ARN) pudo quedar encerrada en una membrana de fosfolípidos, formando las primeras células procariotas primitivas, que evolucionaron siguiendo los principios darwinianos.
Asimismo, el origen de la célula eucariota suele explicarse usando la teoría endosimbiótica. Esta idea sustenta que una bacteria grande engulló a una más pequeña y con el paso del tiempo originó los organelos que hoy en día conocemos (cloroplastos y mitocondrias).
Índice del artículo
- 1 La teoría celular
- 2 Evolución de la célula procariota
- 3 Evolución de la célula eucariota
- 4 Referencias
Célula es un término que proviene de la raíz latina cellula, que significa hueco. Estas son las unidades funcionales y estructurales de los seres vivos. El término fue usado por primera vez en el siglo XVII por el investigador Robert Hooke, cuando estaba examinando una lámina de corcho bajo la luz del microscopio y observó una especie de celdillas.
Con este descubrimiento, más científicos – destacando las contribuciones de Theodor Schwann y Matthias Schleiden – se interesaron por la estructura microscópica de la materia viva. De esta manera nace uno de los pilares más importantes de la biología: la teoría celular.
La teoría sostiene que: (a) todos los seres orgánicos están compuestos de células; (b) las células son la unidad de la vida; (c) las reacciones químicas que sustentan la vida ocurren dentro de los límites de la célula y (d) toda la vida proviene de vida preexiste.
Este último postulado se resume en la famosa frase de Rudolf Virchow: “omnis cellula e cellula” – todas las células derivan de otras células ya existentes. Pero, ¿de dónde vino la primera célula? A continuación describiremos las teorías principales que buscan explicar el origen de las primeras estructuras celulares.
El origen de la vida es un fenómeno estrechamente ligado al origen de las células. En la tierra, existen dos formas celulares de vida: las procariotas y las eucariotas.
Ambos linajes difieren básicamente en términos de su complejidad y estructura, siendo los eucariotas organismos más grandes y complejos. Esto no quiere decir que los procariotas sean simples – un solo organismo procariota es una aglomeración organizada e intrincada de diversos complejos moleculares.
La evolución de ambas ramas de la vida es una de las preguntas más apasionantes en el mundo de la biología.
Cronológicamente, se estima que la vida posee de 3.500 a 3.800 millones de años de antigüedad. Esta apareció aproximadamente 750 millones de años después de la formación de la Tierra.
A comienzos de los años 20 se empezó a manejar la idea de que las macromoléculas orgánicas podían polimerizar de manera espontánea bajo las condiciones ambientales de una atmósfera primitiva – con bajas concentraciones de oxígeno y altas concentraciones de CO2 y N2, además de una serie de gases como H2, H2S, y el CO.
Se asume que la atmósfera primitiva hipotética proveyó de un ambiente reductor, que junto con una fuente de energía (como la luz del Sol o descargas eléctricas), sentó las condiciones propicias para la polimerización de las moléculas orgánicas.
Esta teoría fue confirmada de manera experimental en el año 1950 por el investigador Stanley Miller durante sus estudios de posgrado.
Después de precisar las condiciones necesarias para la formación de las moléculas que encontramos en todos los seres vivos, es menester proponer una molécula primitiva con la capacidad de almacenar información y replicarse a sí misma – las células actuales almacenan la información genética bajo un lenguaje de cuatro nucleótidos en la molécula de ADN.
Hasta la fecha, el mejor candidato para esta molécula es el ARN. No fue hasta el año 1980 cuando los investigadores Sid Altman y Tom Cech descubrieron las capacidades catalíticas de este ácido nucleico, incluyendo la polimerización de los nucleótidos – paso crítico para la evolución de la vida y de las células.
Por estas razones, se cree que la vida empezó usando como material genético al ARN, y no el ADN como hacen la inmensa mayoría de las formas actuales.
Una vez obtenidos las macromoléculas y la molécula capaz de almacenar información y replicarse a sí misma, es necesaria la existencia de una membrana biológica que determine los límites entre lo vivo y el ambiente extracelular. Evolutivamente, este paso marcó el origen de las primeras células.
Se cree que la primera célula surgió de una molécula de ARN que fue encerrada por una membrana compuesta de fosfolípidos. Estos últimos son moléculas anfipáticas, lo que quiere decir que una porción es hidrofílica (soluble en agua) y la otra restante es hidrofóbica (no soluble en agua).
Cuando los fosfolípidos están disueltos en agua, tienen la capacidad de agregarse de manera espontánea y formar una bicapa lipídica. Las cabezas polares se agrupan mirando al ambiente acuoso y las colas hidrofóbicas en el interior, en contacto unas con otras.
Esta barrera es termodinámicamente estable y crea un compartimiento que permite separar a la célula del ambiente extracelular.
Con el paso del tiempo, el ARN encerrado dentro de la membrana lipídica continuó su rumbo evolutivo siguiendo los mecanismos darwinianos – hasta presentar procesos complejos como la síntesis de proteínas.
Una vez formadas estas células primitivas, empezó el desarrollo de las rutas metabólicas que hoy en día conocemos. El escenario más plausible para el origen de las primeras células es el océano, por lo que las primeras células eran capaces de obtener el alimento y la energía de manera directa del ambiente.
Cuando el alimento empezó a escasear, debieron aparecer ciertas variantes celulares con métodos alternativos de obtención de alimento y generar energía que les permitiesen continuar con su replicación.
La generación y el control del metabolismo de las células son indispensables para su continuidad. De hecho, las principales vías metabólicas son ampliamente conservadas entre los organismos actuales. Por ejemplo, tanto una bacteria como un mamífero realizan la glicólisis.
Se ha propuesto que la generación de energía evolucionó en tres etapas, empezando por la glicólisis, seguido de la fotosíntesis y finalizando con el metabolismo oxidativo.
Como el ambiente primitivo carecía de oxígeno, es plausible que las primeras reacciones metabólicas prescindieran de él.
Las células fueron únicamente procariotas hasta hace alrededor de 1.500 millones de años. En esta etapa aparecieron las primeras células con un núcleo verdadero y organelas propiamente dichas. La teoría más resaltante en la literatura que explica la evolución de las organelas es la teoría endosimbiótica (endo quiere decir interno).
Los organismos no se encuentran aislados en su ambiente. Las comunidades biológicas presentan múltiples interacciones, tanto antagonistas como sinérgicas. Un término paraguas usado para distintas interacciones es simbiosis – antiguamente usado solamente para relaciones mutualistas entre dos especies.
Las interacciones entre los organismos tienen consecuencias evolutivas importantes, y el ejemplo más dramático de este hecho es la teoría endosimbiótica, que fue propuesta inicialmente por la investigadora estadounidense Lynn Margulis en los años 80.
Según esta teoría, algunas organelas eucariotas – como cloroplastos y mitocondrias – fueron inicialmente organismos procariotas de vida libre. En cierto momento de la evolución, un procariota fue engullido por uno más grande, pero no fue digerido. En cambio, sobrevivió y quedó atrapado dentro del organismo más grande.
Además de la supervivencia, los tiempos de reproducción entre ambos organismos se sincronizaron, logrando pasar a generaciones sucesivas.
En el caso de los cloroplastos, el organismo engullido exhibía toda la maquinaria enzimática para realizar la fotosíntesis, supliendo al organismo más grande con los productos de estas reacciones químicas: los monosacáridos. Para el caso de las mitocondrias, se postula que el procariota engullido pudo ser una α-proteobacteria ancestral.
Sin embargo, la identidad potencial del organismo huésped de mayor tamaño es una pregunta abierta en la literatura.
El organismo procariota engullido perdió su pared celular, y a lo largo de la evolución sufrió las modificaciones pertinentes que originaron las organelas modernas. Esto es, en esencia, la teoría endosimbiótica.
Actualmente existen múltiples hechos que respaldan la teoría de endosimbiosis, a saber: (a) el tamaño de las mitocondrias y cloroplastos actuales es similar al de los procariotas; (b) dichos organelos tienen su propio material genético y sintetizan parte de las proteínas, aunque no son completamente independientes del núcleo y (c) existen múltiples similitudes bioquímicas entre ambos entes biológicos.
La evolución de las células eucariotas se asocia a una serie de ventajas sobre las procariotas. El incremento de tamaño, complejidad y compartimentalización permitió la evolución rápida de novedosas funciones bioquímicas.
Posterior a la llegada de la célula eucariota, vino la pluricelularidad. Si una célula “desea” gozar de los beneficios de un mayor tamaño, no puede simplemente crecer, ya que la superficie celular debe ser grande con relación a su volumen.
Así, los organismos con más de una célula lograron incrementar su tamaño y repartir las tareas entre las múltiples células que los componen.
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