ORIGEN DE LA CÈL·LULA: PRINCIPALS TEORIES (PROCARIOTA I EUCARIOTA) - BIOLOGIA - 2025

El origen de la cèl·lula es remunta a més de 3.500 milions d'anys d'antiguitat. La manera en què aquestes unitats funcionals es van originar ha despertat la curiositat dels científics des de fa diversos segles.

L'origen de la vida per se venir acompanyat de l'origen de les cèl·lules. En un ambient primitiu, les condicions ambientals eren molt diferents a les que observem avui en dia. La concentració d'oxigen era pràcticament nul·la, i en les atmosfera dominava una altra composició de gasos.

Font: pixabay.com

Diferents experiències al laboratori han comprovat que sota les condicions ambientals inicials de la Terra és possible la polimerització de diverses biomolècules característiques dels sistemes orgànics, és a dir: aminoàcids, sucres, etc.

Una molècula amb capacitat catalítica i de replicar-se a si mateixa (potencialment, un ARN) va poder quedar tancada en una membrana de fosfolípids, formant les primeres cèl·lules procariotes primitives, que van evolucionar seguint els principis darwinians.

Així mateix, l'origen de la cèl·lula eucariota sol explicar-usant la teoria endosimbiòtica. Aquesta idea sustenta que un bacteri gran va engolir a una més petita i amb el pas el temps va originar els orgànuls que avui dia coneixem (cloroplasts i mitocondris).

La teoria cel·lular

Cèl·lula és un terme que prové de l'arrel llatina cèl·lula, que significa buit. Aquestes són les unitats funcionals i estructurals dels éssers vius. El terme va ser usat per primera vegada al segle XVII per l'investigador Robert Hooke, quan estava examinant una làmina de suro sota la llum de l'microscopi i observar una espècie de cel·les.

Amb aquest descobriment, més científics - destacant les contribucions de Theodor Schwann i Matthias Schleiden - es van interessar per l'estructura microscòpica de la matèria viva. D'aquesta manera neix un dels pilars més importants de la biologia: la teoria cel·lular.

La teoria sosté que: (a) tots els éssers orgànics estan compostos de cèl·lules; (B) les cèl·lules són la unitat de la vida; (C) les reaccions químiques que sustenten la vida ocorren dins dels límits de la cèl·lula i (d) tota la vida prové de vida preexisteix.

Aquest últim postulat es resumeix en la famosa frase de Rudolf Virchow: "omnis cellula i cellula" - totes les cèl·lules deriven d'altres cèl·lules ja existents. Però, ¿d'on va venir la primera cèl·lula? A continuació descriurem les teories principals que busquen explicar l'origen de les primeres estructures cel·lulars.

Evolució de la cèl·lula procariota

L'origen de la vida és un fenomen estretament lligat a l'origen de les cèl·lules. A la terra, hi ha dues formes cel·lulars de vida: les procariotes i les eucariotes.

Tots dos llinatges difereixen bàsicament en termes de la seva complexitat i estructura, sent els eucariotes organismes més grans i complexos. Això no vol dir que els procariotes siguin simples - un sol organisme procariota és una aglomeració organitzada i intricada de diversos complexos moleculars.

L'evolució de les dues branques de la vida és una de les preguntes més apassionants en el món de la biologia.

Cronològicament, s'estima que la vida posseeix de 3.500 a 3.800 milions d'anys d'antiguitat. Aquesta va aparèixer aproximadament 750 milions d'anys després de la formació de la Terra.

Evolució de les primeres formes de vida: els experiments de Miller

Al començament dels anys 20 es va començar a gestionar la idea que les macromolècules orgàniques podien polimeritzar de manera espontània sota les condicions ambientals d'una atmosfera primitiva - amb baixes concentracions d'oxigen i altes concentracions de CO ₂ i N ₂, a més d'una sèrie de gasos de H ₂, H ₂ S, i el CO.

S'assumeix que l'atmosfera primitiva hipotètica va proveir d'un ambient reductor, que juntament amb una font d'energia (com la llum de el Sol o descàrregues elèctriques), va establir les condicions propícies per a la polimerització de les molècules orgàniques.

Aquesta teoria va ser confirmada de manera experimental a l'any 1950 per l'investigador Stanley Miller durant els seus estudis de postgrau.

Necessitat d'una molècula amb propietats d'autoreplicació i catàlisi: el món de l'ARN

Després de precisar les condicions necessàries per a la formació de les molècules que trobem en tots els éssers vius, és menester proposar una molècula primitiva amb la capacitat d'emmagatzemar informació i replicar-se a si mateixa - les cèl·lules actuals emmagatzemen la informació genètica sota un llenguatge de quatre nucleòtids en la molècula d'ADN.

Fins ara, el millor candidat per a aquesta molècula és l'ARN. No va ser fins l'any 1980 quan els investigadors Sid Altman i Tom Cech van descobrir les capacitats catalítiques d'aquest àcid nucleic, incloent la polimerització dels nucleòtids - pas crític per a l'evolució de la vida i de les cèl·lules.

Per aquestes raons, es creu que la vida va començar usant com material genètic a l'ARN, i no l'ADN com fan la immensa majoria de les formes actuals.

Limitant les barreres de la vida: els fosfolípids

Un cop obtinguts les macromolècules i la molècula capaç d'emmagatzemar informació i replicar-se a si mateixa, és necessària l'existència d'una membrana biològica que determini els límits entre el que és viu i l'ambient extracel·lular. Evolutivament, aquest pas va marcar l'origen de les primeres cèl·lules.

Es creu que la primera cèl·lula va sorgir d'una molècula d'ARN que va ser tancada per una membrana composta de fosfolípids. Aquests últims són molècules anfipáticas, el que vol dir que una porció és hidrofílica (soluble en aigua) i l'altra restant és hidrofòbica (no soluble en aigua).

Quan els fosfolípids estan dissolts en aigua, tenen la capacitat d'agregar-se de manera espontània i formar una bicapa lipídica. Els caps polars s'agrupen mirant a l'ambient aquós i les cues hidrofòbiques a l'interior, en contacte unes amb les altres.

Aquesta barrera és termodinàmicament estable i crea un compartiment que permet separar la cèl·lula de l'ambient extracel·lular.

Amb el pas el temps, l'ARN tancat dins de la membrana lipídica va continuar el seu rumb evolutiu seguint els mecanismes darwinians - fins a presentar processos complexos com la síntesi de proteïnes.

Evolució de l'metabolisme

Un cop formades aquestes cèl·lules primitives, va començar el desenvolupament de les rutes metabòliques que avui dia coneixem. L'escenari més plausible per a l'origen de les primeres cèl·lules és l'oceà, de manera que les primeres cèl·lules eren capaços d'obtenir l'aliment i l'energia de manera directa d'l'ambient.

Quan l'aliment va començar a escassejar, van haver d'aparèixer certes variants cel·lulars amb mètodes alternatius d'obtenció d'aliment i generar energia que els permetessin continuar amb la seva replicació.

La generació i el control de l'metabolisme de les cèl·lules són indispensables per a la seva continuïtat. De fet, les principals vies metabòliques són àmpliament conservades entre els organismes actuals. Per exemple, tant un bacteri com un mamífer realitzen la glicòlisi.

S'ha proposat que la generació d'energia va evolucionar en tres etapes, començant per la glicòlisi, seguit de la fotosíntesi i finalitzant amb el metabolisme oxidatiu.

Com l'ambient primitiu no tenia oxigen, és plausible que les primeres reaccions metabòliques prescindissin d'ell.

Evolució de la cèl·lula eucariota

Les cèl·lules van ser únicament procariotes fins fa al voltant de 1.500 milions d'anys. En aquesta etapa van aparèixer les primeres cèl·lules amb un nucli veritable i organel·les pròpiament dites. La teoria més resaltante en la literatura que explica l'evolució de les organel·les és la teoria endosimbiòtica (nt vol dir intern).

Els organismes no es troben aïllats en el seu ambient. Les comunitats biològiques presenten múltiples interaccions, tant antagonistes com sinèrgiques. Un terme paraigua usat per diferents interaccions és simbiosi - antigament usat solament per a relacions mutualistes entre dues espècies.

Les interaccions entre els organismes tenen conseqüències evolutives importants, i l'exemple més dramàtic d'aquest fet és la teoria endosimbiòtica, que va ser proposada inicialment per la investigadora nord-americana Lynn Margulis en els anys 80.

Postulats de la teoria endosimbiòtica

Segons aquesta teoria, algunes orgànuls eucariotes - com cloroplasts i mitocondris - van ser inicialment organismes procariotes de vida lliure. En cert moment de l'evolució, 1 procariota va ser engolit per un més gran, però no va ser digerit. En canvi, va sobreviure i va quedar atrapat dins de l'organisme més gran.

A més de la supervivència, els temps de reproducció entre ambdós organismes es van sincronitzar, aconseguint passar a generacions successives.

En el cas dels cloroplasts, l'organisme engolit exhibia tota la maquinària enzimàtica per a realitzar la fotosíntesi, suplint l'organisme més gran amb els productes d'aquestes reaccions químiques: els monosacàrids. Per al cas de les mitocòndries, es postula que l'procariota engolit poder ser una α-proteobacteri ancestral.

No obstant això, la identitat potencial de l'organisme hoste més gran és una pregunta oberta en la literatura.

L'organisme procariota engolit perdre la seva paret cel·lular, i al llarg de l'evolució va patir les modificacions pertinents que van originar les organel·les modernes. Això és, en essència, la teoria endosimbiòtica.

Evidències de la teoria endosimbiòtica

Actualment hi ha múltiples fets que donen suport a la teoria d'endosimbiosis, a saber: (a) la mida dels mitocondris i cloroplasts actuals és similar a el dels procariotes; (B) aquests orgànuls tenen el seu propi material genètic i sintetitzen part de les proteïnes, encara que no són completament independents de l'nucli i (c) ha múltiples similituds bioquímiques entre ambdós ens biològics.

Avantatges de ser eucariota

L'evolució de les cèl·lules eucariotes s'associa a una sèrie d'avantatges sobre les procariotes. L'increment de grandària, complexitat i compartimentalització va permetre l'evolució ràpida de noves funcions bioquímiques.

Posterior a l'arribada de la cèl·lula eucariota, va venir la pluricel·lularitat. Si una cèl·lula "desitja" gaudir dels beneficis d'una major grandària, no pot simplement créixer, ja que la superfície cel·lular ha de ser gran en relació al seu volum.

Així, els organismes amb més d'una cèl·lula van aconseguir incrementar la seva mida i repartir les tasques entre les múltiples cèl·lules que els componen.

referències

1. Altstein, AD (2015). The progene hypothesis: the Nucleoproteïna world and how life began. Biology Direct, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). Suggested model for prebiotic evolution: The use of chaos. Proceedings of the National Academy of Sciences, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologia: La vida a la Terra. Pearson educació.
4. Campbell, AN, & Reece, JB (2005). Biologia. Editorial Mèdica Panamericana.
5. Gamma, M. (2007). Biologia 1: un Enfocament Constructivista. Pearson Educació.
6. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Multilevel selection in models of prebiotic evolution: compartments and spatial self-organization. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). The origin and early evolution of life: prebiotic chemistry, the pre-RNA world, and time. Cell, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K., & Alfonzo, J. (2016). From prebiotics to Probiòtics: The evolution and functions of tRNA Modifications. Life, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF, & Szostak, JW (2010). The origins of cellular life. Cold Spring Harbor perspectives in biology, a002212.
10. Silvestre, DA, & Fontanari, JF (2008). Package models and the information crisi of prebiotic evolution. Journal of Theoretical biology, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P., & Mavelli, F. (2015). Protocells Models in Origin of Life and Synthetic Biology. Life, 5 (4), 1700-1702.