Asociación de átomos, moléculas y macromoléculas para formar células:
Fue un gran salto evolutivo en la aparición de
la vida. Puede que las primeras células se formaran en la Tierra y puede que
procedieran del espacio, sembrando nuestro planeta y colonizándolo. Bien fuese
de una forma u otra, el hecho es que tuvieron que formarse a partir de
moléculas, bien en la Tierra o bien en otro lugar del espacio. En una
célula, muchas biomoléculas se asocian en orgánulos subcelulares como ribosomas,
cromosoma bacteriano, membrana plasmática, flagelos, etc. ¿Cómo se formaron
estos orgánulos? Es claro que las instrucciones para su creación y organización
radican en los genes de las largas moléculas de ADN hechas por
polimerización de desoxirribonucleótidos.
¿Cómo se determina el orden de polimerización
de estos nucleótidos en las cadenas de los ácidos nucleicos? Esta es la pregunta
clave, ya que este orden o secuencia de nucleótidos determina la diversidad de
los genes y por lo tanto la diversidad de los seres vivos. En el origen de la
vida abundaban las biomoléculas que se fabricaban sin cesar, entre ellas
nucleótidos. Puede que con el tiempo, surgiesen polimerizaciones al azar de
ARN que se perpetuaron por un proceso de selección natural y este, al
igual que las ribozimas descubiertas en las últimas décadas, interviniese
enzimáticamente en su reproducción hasta que se inventó ¿quizá por selección
natural? la traducción y la fabricación de proteínas y de
enzimas a partir de las instrucciones nucleotídicas del ARN. Más
adelante se formó el ADN a partir del ARN, el cual constituye una
molécula más adecuada para guardar la información genética, ya que es más
estable y es doble, quedando el ARN como un intermediario en la expresión de los
genes. Organizada esta estrecha colaboración entre ADN, ARN y proteínas, estas
macromoléculas aprendieron a protegerse del medio, rodeándose de capas lipídicas
a modo de membranas plasmáticas, con lo que surgieron las primeras
protocélulas, los progenotes. Por un proceso de evolución
molecular, los ADNs fueron aumentando en tamaño al polimerizarse cada vez más
nucleótidos y fue aumentando el número de genes, los cuales habían aprendido a
replicarse y a expresarse en proteínas y enzimas.
Los virus nos pueden ayudar a
comprender esta evolución. Existe toda la gama de complejidad en los virus. Los
más sencillos son simples moléculas de ácidos nucleicos. En un siguiente paso
los ácidos nucleicos se rodean y protegen de cápsidas proteicas. Un tercer paso
consiste en una segunda envoltura; una especie de membrana plasmática que rodea
a la cápsida. Los más complejos como los del SIDA tiene varios envoltorios
proteicos por dentro de la membrana. ¿Nos enseñan los virus como se fueron
formando las células? Mas bien parece que sean ácidos nucleicos que se han
independizado de células bacterianas, vegetales o animales y que evolucionan a
formas cada vez más complejas, aunque no precisamente celulares.
Recientemente se han descubierto unas
estructuras filamentosas que contienen ADN, los nanobios, de
tamaño algo mayor que los virus (entre 20 y 150 nm de diámetro). Se han
encontrado en un meteorito marciano y en zonas relativamente profundas de la
corteza terrestre, a unos 3 mil metros. Puede que sean formas intermedias entre
virus y células, formas puente entre ambos seres en la evolución de la vida.
¿Cuánto tiempo transcurrió hasta que se
formaron las primeras células a partir de estas biomoléculas? Según la evidencia
fósil este gran salto evolutivo fue relativamente rápido: En un intervalo que va
desde los 4000 m.a. en que las condiciones en zonas superficiales ya pudieron
ser aptas para la vida hasta los 3.800-700 m.a. en que aparecen las primeras
evidencias de fósiles bacterianos. ¿Son suficientes 300 m.a. para dar ese gran
paso evolutivo? Es posible, aunque cabe otra alternativa: El origen
extraterrestre de las primeras células que en forma de esporos muy
resistentes, colonizasen la Tierra a través de meteoritos o fragmentos
cometarios. Estos esporos pueden resistir en estado de vida latente mucho tiempo
(se ha logrado revivir bacterias encerradas en cristales de sal de 250 m.a. de
edad) y desafiar muchas agresiones ambientales, lo cual les permitiría resistir
los grandes viajes espaciales. De cualquier modo, bien sea en la Tierra, bien
sea en el espacio (¿en otros planetas?), las células, bacterianas o no, han
tenido que construirse por evolución a partir de biomoléculas.
Hay otra posibilidad más fantástica todavía:
Seres extraterrestres inteligentes han visitado la Tierra y la han
sembrado, quizá de virus, quizá de células ¿bacterianas? intencionadamente, para
que en este planeta evolucionase la vida, o bien la han contaminado
involuntariamente. Pero la pregunta persiste: ¿Cómo han surgido estos seres
inteligentes?
Otra cuestión es saber si las primeras células
a partir de los antepasados progenotes fueron células procarióticas como las
bacterias o fueron células eucarióticas primitivas. Hasta hace poco se creía que
las primeras células fueron de tipo bacteriano pero actualmente, muchos biólogos
creen que las bacterias actuales son formas celulares simplificadas y adaptadas
a una reproducción rápida y que la célula primitiva sería una célula más
cercana a la célula eucariota actual pero mas rudimentaria, y con menos
orgánulos citoplasmáticos: las mitocondrias y los cloroplastos, y tal vez los
centriolos, cilios y flagelos, aparecieron después en estas células por
endosimbiosis con determinados tipos de bacterias (leer más adelante).
Asociación de células entre
sí para formar células eucarióticas modernas:
Este acontecimiento evolutivo debió de tener
lugar hace unos 2000 m.a. Por aquel entonces la atmósfera ya tenía
prácticamente la misma cantidad de oxígeno que la actual, acumulado en ella
debido fundamentalmente a la actividad fotosintética de cianobacterias.
Células heterótrofas anaerobias de gran tamaño, se alimentaban por fagocitosis
de bacterias más pequeñas. Varios tipos de estas últimas lograron sobrevivir en
el interior de la gran célula, estableciendo relaciones de endosimbiosis.
En primer lugar, para alcanzar grandes tamaños, las células tuvieron que
desarrollar mayor superficie membranosa de intercambio con el medio
extracelular. Esto último lo consiguieron mediante invaginaciones de la membrana
plasmática, con lo que desarrollaron un sistema de membranas internas que
compartimentaban el citoplasma y rodeaban al núcleo. A parte de esto se
establecieron varias asociaciones endosimbióticas: Se incorporaron bacterias
aerobias que se transformaron en mitocondrias, con lo cual la
célula hospedadora pudo vivir en ambientes oxigenados y realizar una respiración
aerobia de mayor rendimiento energético. También es posible que los
peroxisomas procediesen de bacterias que sabían eliminar los residuos
tóxicos de las oxidaciones como el agua oxigenada. Los cloroplastos
procederían de
¿cianobacterias o cloroxibacterias?, incorporadas en las
células precursoras de las actuales células vegetales; y por último los
cilios y flagelos procederían de la incorporación de espiroquetas, las
cuales proporcionarían además los microtúbulos del huso mitótico que posibilita
la mitosis. Aunque no todas estas asociaciones parecen igual de consistentes, si
parece ser que, al menos, algunas de ellas tuvieran lugar. Así, apareció un
modelo de célula nueva, de mayor tamaño, más compleja.
Estas células eucariotas tenían un nucleo mas
complejo que las bacterias: en lugar de tener un solo cromosoma circular tenían
varios cromosomas (en realidad, fibras de cormatina) lineales, y fueron
aumentando gradualmente la cantidad de genes, ya que muchos genes de las
bacterias introducidas por endosimbiosis eran transferidos al núcleo de la
célula hospedadora para un mejor control celular. Además su organización
genética era distinta: Sus genes estaban fragmentados en exones e intrones y
tenían mas "ADN no genético" que las bacterias. Estas células eucariotas
idearon la mitosis ¿quizá por endosimbiosis con espiroquetas?,
para asegurar la distribución equitativa de los complejos genes discontinuos
organizados en fibras de cormatina en las células hijas durante la división
celular.
Otra consecuencia de la complejidad celular
causada por las endosimbiosis fue el modo en que se resolvió el
intercambio de genes entre células. Este fenómeno, realizado en
bacterias mediante conjugación, en condiciones adversas, aumenta la variabilidad
de genes en las diferentes generaciones bacterianas; esta variabilidad, unida a
la provocada por mutaciones, potenciaba la evolución de dichas células. En las
células eucariotas, ante la inviabilidad del intercambio de genes por
conjugación se ideó un proceso de intercambio más complejo: la
reproducción sexual. Dos células de la misma especie pero de distinto
signo sexual, una femenina y otra masculina se atraen, se fusionan (fecundación)
y reúnen sus respectivas fibras de cromatina con los genes en una única célula
doble, el cigoto. Esta célula huevo tendrá por lo tanto las fibras de cromatina
duplicadas; un lote de fibras procederá de la célula masculina o padre y el otro
lote de la célula femenina o madre y por lo tanto habrá una dotación doble de
genes. Los genes están duplicados y las fibras de cromatina (cromosomas)
apareados. A esta célula y las que resulten por división mitótica de ella, se
las denomina diploides. Si posteriormente estas células desean intercambiar de
nuevo genes, deben reducir su número de fibras de cromatina y de genes a la
mitad mediante un proceso de meiosis, parecido a la mitosis pero
más complejo. Se forman así, células con una dotación simple de fibras de
cromatina y de genes, las células haploides, que ya se pueden unir entre sí o
fecundarse. Estas células haploides que se fecundan se llaman gametos.
¿Cómo se distribuyen los genes en los gametos? ¿Tendrá un gameto determinado
todos los genes de procedencia materna o femenina y otro gameto todos los genes
de procedencia paterna o masculina? Si esto fuese así, el intercambio de genes
se realizaría de manera muy limitada y lenta a lo largo de las generaciones
celulares. Lo que ocurre es que un gameto puede tener fibras de cromatina y
genes paternos y maternos según un proceso de azar y además durante la meiosis
se produce un proceso de intercambio de genes (recombinación génica)
entre cromosomas homólogos (entrecruzamiento cromatínico). Los cromosomas
homólogos están apareados y uno es de origen paterno y el otro materno.
Estos dos últimos procesos, distribución al
azar de los cromosomas en los gametos y recombinación génica, aumentan la
frecuencia de intercambio de genes y por lo tanto barajan las mutaciones,
potenciando la variabilidad génica en las sucesivas generaciones celulares. De
esta forma se favorece la evolución.
Las células eucarioticas, al igual que las
bacterias, también utilizan otros mecanismos de intercambio de genes: son los
llamados mecanismos de transmisión horizontal, los virus como
vectores de transmisión (transducción) y las bácterias, mediante
genes móviles en plásmidos. De esta forma, mediante la infección
vírica y bacteriana se pueden transmitir genes eucarióticos de unos individuos a
otros, e incluso, de unas especies a otras, cuando estos genes son transportados
por los microorganismos infecciosos.
Los seres vivos se transforman, se adaptan al
ambiente cambiante, evolucionan a nivel molecular mediante las mutaciones, que
modifican el ADN y por lo tanto los genes. De esta forma, el ADN responde a los
cambios del ambiente, transformándose si es necesario y enriqueciéndose con
nuevas experiencias a lo largo de su vida y de las generaciones, es decir
mutando. A nivel celular, se completa esta adaptación y evolución con el
intercambio de genes entre las diferentes células, con lo cual intercambian sus
experiencias y sus logros evolutivos. Las mutaciones o cambios
para adaptarse al ambiente no siempre son positivas y ventajosas y muchas
moléculas de ADN se destruyen y muchas células mueren en el intento, pero
siempre sobreviven algunas que se reproducen con menos competencia ya que tienen
logros ventajosos respecto a otras células y la vida se expande a pesar de la
resistencia ambiental. A nivel molecular (ADN) la acción-ambiente
reacción-mutación es directa y simple pero a nivel celular se complica. Los
cambios ambientales, que a nivel molecular, consisten en radiaciones o moléculas
químicas que afectan al ADN directamente, afectan más indirectamente a las
células. El ADN está más protegido en el nucleoide de las bacterias y núcleo de
células eucariotas contra los agentes mutágenos por las cubiertas celulares y el
propio citoplasma, con lo cual las mutaciones se producen con menos frecuencia y
las células evolucionan más despacio que las biomoléculas, además de ser más
estables.
Continuará...
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