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- Herausgeber: Tombooktu
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Spanisch
- Veröffentlichungsjahr: 2016
Las respuestas de la ciencia a las preguntas más relevantes en el campo de la Biología: el origen de la vida, los niveles de organización de la materia viva, la genética, la evolución, la biodiversidad, la salud y el funcionamiento del cuerpo humano. Esta obra le ayudará a entender el proceso más maravilloso del universo: la vida. El origen de la vida – La herencia genética – Evolución- Biodiversidad- Salud y enfermedad- El cuerpo humano
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Ähnliche
La Biología
La Biología en 100 preguntas
Jaione Pozuelo Echegaray
Colección: 100 preguntas esenciales
www.100preguntas.com
www.nowtilus.com
Titulo: La Biología en 100 preguntas
Autor: © Jaione Pozuelo Echegaray
Director de la colección: Luis E. Íñigo Fernández
Copyright de la presente edición:© 2016 Ediciones Nowtilus, S.L.
Doña Juana I de Castilla 44, 3º C, 28027 Madrid
www.nowtilus.com
Elaboración de textos:Santos Rodríguez
Diseño de cubierta: eXpresio estudio creativo
Imagen de portada:Human sperm race to fertilize an egg, de la colección Science Source de David M. Phillips.
Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación públicao transformación de esta obra sólo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos) si necesita fotocopiaro escanear algún fragmento de esta obra (www.conlicencia.com; 91 702 19 70/ 93 272 04 47).
ISBN Digital: 978-84-9967-816-0
Fecha de publicación: Octubre 2016
Depósito legal: M-31292-2016
A mis estudiantes curiosos,
por ser inspiración y respuesta
EL ORIGEN DE LA VIDA
1
¿QUÉ HA HECHO POSIBLE LA VIDA EN LA TIERRA?
El planeta Tierra, un cuerpo celeste singular. Muchas son las características que convierten nuestro astro en un lugar digno de estudio: sus formas geológicas en continuo cambio, la presencia de una capa de agua que cubre un alto porcentaje de su corteza, la dinámica atmosférica responsable de climas y paisajes… Sin embargo, si hay algo realmente fascinante en nuestro planeta, es sin duda la presencia de formas de vida.
Antes de continuar, aclararemos qué entendemos por «vida». Muchos biólogos han resaltado la complejidad que supone definir esta palabra. De hecho, resulta más sencillo explicar las características distintivas de la materia viva. En palabras de un geólogo, los seres vivos son «sistemas autorreproducibles que toman su energía del medio y se han adaptado a todos los ambientes del planeta» (F. Anguita, 1988). Si la pregunta se formula a un genetista, su afirmación será que todo ser vivo cambia (por mutaciones), es capaz de autorreplicarse (por reproducción celular) y puede transmitir su información a la descendencia (por mecanismos de herencia biológica). Y si preguntáramos a un biólogo, probablemente nos diría que todos los seres vivos comparten una organización molecular y la realización de las tres funciones consideradas vitales: nutrición, reproducción y relación con el medio interno y el externo.
Definir la vida es casi tan complejo como lo es la vida en sí misma. La cantidad de procesos bioquímicos que fundamentan la existencia de organismos autorreplicables es tal que parece igualmente complicado lograr las condiciones idóneas para que estas estructuras se desarrollen. De hecho, la aparición de la vida en el planeta no fue un proceso sencillo. Hicieron falta una serie de condiciones que no se han encontrado en ningún planeta conocido hasta la fecha. Unas condiciones que comienzan con la distancia que nos separa del Sol.
El Sol es la estrella que mantiene todo el sistema solar en funcionamiento. A partir del disco protoplanetario que lo rodeaba, se formaron ocho planetas que quedaron girando en distintas órbitas, así como pequeños cuerpos celestes (asteroides, planetas enanos, cometas, etc.), todos ellos sujetos a la estrella por atracción gravitatoria y sometidos a su radiación electromagnética. Y es que las reacciones de fusión nuclear del interior de la estrella producen una energía inmensa en forma de radiación: la superficie solar se encuentra a una temperatura superior a los 5.500 °C.
Esta radiación llega de forma desigual a los distintos planetas. La temperatura en la superficie de los mismos desciende a medida que nos alejamos del Sol (con la excepción de Venus, cuya densa atmósfera actúa como un invernadero y eleva su temperatura media hasta los 470 °C). Por lo tanto, planetas cercanos como Mercurio pueden alcanzar los 465 °C en la cara expuesta al Sol, mientras que al otro extremo del sistema solar encontramos temperaturas de -224 °C en Urano o -218 °C en Neptuno. Siguiendo esta lógica, encontramos a nuestro planeta, en la tercera órbita, a una distancia de aproximadamente ciento cincuenta millones de kilómetros del Sol, con una temperatura media de 15 °C en superficie. Considerando que los límites térmicos para la vida se encuentran entre -18 °C y 50 °C, parece evidente que la Tierra es el lugar idóneo para la aparición y el mantenimiento de organismos vivos.
Una segunda condición que distingue a la Tierra, consecuencia de esta temperatura media en superficie, es la presencia de una hidrosfera formada por agua en sus tres estados. Y es que encontrar agua en el espacio es relativamente sencillo (analizando el contenido de Marte, Mercurio o de cuerpos pequeños como cometas o asteroides, encontraremos hielo; y en el planeta enano Ceres podríamos hallar vapor de agua). Algo más complicado resulta encontrar agua líquida (aunque hay fuertes evidencias de que las lunas de Júpiter y Saturno podrían tener océanos bajo su superficie, y también se ha detectado la presencia de agua líquida en Marte). La cuestión se complica aún más si lo que buscamos es la coexistencia de agua en los tres estados. Y es aquí donde la Tierra, por ahora (nos queda mucho universo por descubrir), es especial.
Agua y aire en la Tierra. Aunque se conozca como Planeta Azul, si pusiéramos toda el agua de la Tierra en una esfera, esta tendría un diámetro de 1.390 kilómetros (esfera pequeña de la izquierda). El agua líquida está muy extendida en la superficie, pero tiene poca profundidad. Si hiciéramos lo mismo con la atmósfera terrestre, obtendríamos una esfera de 1.999 kilómetros de diámetro (representada a la derecha). Pero si lo que tenemos en cuenta es el agua potable del planeta, obtendríamos una diminuta esfera de 62 kilómetros de diámetro, que el lector puede ver si agudiza la vista a la izquierda de las otras dos esferas. Fuente: Gritzi, G. Disponible en: http://slconceptual.wordpress.com/
Existen sedimentos de origen marino entre las rocas más antiguas conocidas, lo que demuestra la existencia de océanos casi desde la formación del planeta. Y esta presencia de agua líquida en la superficie terrestre tuvo varios efectos. Por un lado, como agente modelador del relieve, sus acciones han acompañado al modelado de la corteza terrestre a lo largo de la historia del planeta. Además, ocupando más del setenta por ciento de su superficie, esta hidrosfera líquida aportó a la Tierra el apodo de «Planeta Azul», ya que de este color se nos ve desde el espacio. Y por último, una de las principales consecuencias será el surgimiento de las primeras moléculas orgánicas, ligadas íntimamente a la presencia de este líquido elemento, como descubriremos más adelante.
Sin embargo, el proceso no terminó ahí, de hecho, la propia presencia de vida cambió drásticamente la dinámica del planeta, afectando así al desarrollo de nuevos organismos. Y es aquí cuando la atmósfera adquiere un papel fundamental.
Aunque en un principio se pensó que la atmósfera terrestre primitiva era fundamentalmente reductora, en las últimas décadas se ha propuesto una protoatmósfera ligeramente oxidante, compuesta por vapor de agua, dióxido de carbono, nitrógeno y óxido de azufre, componentes incompatibles con la vida aerobia. De hecho, fue la actividad de las primeras bacterias anaerobias y fotosintéticas lo que posibilitó una producción de oxígeno que transformaría permanentemente la composición de la atmósfera, por lo que la diversidad de formas de vida que ahora conocemos no hubiera sido posible sin esta capa gaseosa que nos rodea.
Además, la atmósfera funcionaba como un escudo natural de desintegración de fragmentos rocosos que llegaban a la Tierra (meteoritos), así como filtro de radiaciones solares perjudiciales (en la ionosfera o termosfera, los gases se ionizan al absorber radiaciones de alta energía, como los rayos gamma, los rayos X y parte de la radiación ultravioleta). Por último, no podemos olvidar que el efecto invernadero natural que en ella sucede es en parte responsable de nuestra temperatura media en superficie (que bajaría a -18 °C sin esta capa de aire).
Podemos concluir que la presencia de una atmósfera protectora y reguladora así como la temperatura privilegiada que nuestra relativa cercanía al Sol nos proporcionó hicieron posible la presencia de agua líquida en la superficie terrestre, una condición clave para la aparición de las primeras formas de vida en nuestro planeta, un proceso complejo y fascinante que seguiremos analizando en las preguntas sucesivas.
2
¿EXISTE VIDA EN OTRO LUGAR DEL UNIVERSO?
Si quedan aún secretos por desvelar en el estudio de la vida, este puede ser uno de los más fuertemente guardados. Intentaremos aquí aportar los datos suficientes para que el lector genere su propia respuesta a esta pregunta que, desafortunadamente, aún no podemos responder. Y es que la opinión científica está dividida en este aspecto y nuestra tecnología actual aún no ha aportado pruebas suficientes para probar ninguna teoría de forma definitiva.
Como ya hemos comprobado, la Tierra contaba con unas condiciones muy específicas, responsables de generar un escenario adecuado para el desarrollo de la vida (tal y como la conocemos los terrícolas), y estas condiciones no han sido encontradas en ningún otro astro conocido. Durante muchos cientos de años, el ser humano se ha considerado el centro del universo y ha concebido nuestro planeta como un lugar único y especial. Los conocimientos astronómicos y la teoría heliocéntrica de Copérnico (entre otros) nos han colocado de nuevo en el lugar que nos corresponde; ahora sabemos que no somos el centro del sistema solar, ni este sistema planetario se acerca remotamente al centro del universo. Sin embargo, y a pesar de todas las investigaciones espaciales realizadas hasta el momento, todavía no hay evidencias de que la vida inteligente, el mayor factor que nos caracteriza, se encuentre en otro planeta.
Por ello, hay científicos que defienden la teoría del gran filtro. Según esta hipótesis, no detectamos vida inteligente fuera de nuestro planeta sencillamente porque no la hay. La existencia de vida inteligente se considera fruto de una anomalía de la evolución, ya que sólo algunas especies son capaces de superar un salto evolutivo (denominado gran filtro) e ir avanzando en civilizaciones de tipo I (utilizan la energía del planeta de forma sostenible), tipo II (utilizan la energía de la estrella de su sistema planetario) y finalmente de tipo III (civilización que controla toda la energía de su galaxia, lo que implica colonizarla). Obviamente, esta hipótesis, como las que mencionaremos a continuación, no está demostrada con datos y evidencias científicas, al menos por el momento.
En el otro lado encontramos una cantidad cada vez mayor de científicos que sí apuestan por la existencia de formas de vida más allá de la Tierra. El astrónomo Carl Sagan es uno de los grandes defensores de esta hipótesis. El primer argumento a favor de esta postura es el tamaño del universo.
El universo es todo lo que existe, podría ser incluso infinito, aunque las teorías más aceptadas actualmente lo consideran finito, pero todavía no se ha podido calcular dónde está su límite. Sabemos, por ejemplo, que necesitaríamos cien mil años para atravesar nuestra galaxia (la Vía Láctea) viajando a la velocidad de la luz. Y hay billones de galaxias en el universo. Con estos datos podemos hacernos una idea de la inmensidad del espacio exterior y de la ingente cantidad de cuerpos celestes que en él se encuentran. Por ello, muchos astrofísicos aceptan la existencia de una alta probabilidad de que haya vida en otro lugar del universo.
Y es que, entre los quinientos millones de billones de estrellas de tipo solar que se calcula que existen en el universo, un estudio publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) establece que un 22 % de ellas podrían ser orbitadas por un planeta similar a la Tierra. Esto supone cien millones de billones de planetas similares al nuestro.
El laboratorio de habitabilidad planetaria de la Universidad de Puerto Rico Arecibo realiza una clasificación de los exoplanetas potencialmente habitables, según el índice de similitud con la Tierra (ESI), que tiene en cuenta el radio, la densidad, la velocidad de escape y la temperatura superficial del planeta. El exoplaneta candidato más probable (el GC 667C c) se encuentra a 24 años luz de nosotros (unos 2 x 1014 kilómetros), una distancia impensable para nuestra tecnología (la sonda más lejana que hemos enviado hasta el momento es Voyager 1, situada actualmente a unos 2 x 1010 kilómetros de distancia).
Un segundo argumento aparece si consideramos que los cuatro elementos más comunes en el universo son el hidrógeno, el helio, el carbono y el oxígeno. Teniendo en cuenta que el helio es un elemento inerte, los tres elementos químicamente activos más abundantes en el universo (hidrógeno, carbono y oxígeno) son también tres de los cuatro elementos básicos que forman más del 95 % de los seres vivos (carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno).
Además de los elementos químicos fundamentales, la vida requiere agua como sustrato donde se produzcan las reacciones químicas que conviertan dichos elementos inorgánicos en moléculas orgánicas. Por eso, en la búsqueda de vida extraterrestre se presta especial atención a aquellos astros en los que se detecta trazas de esta molécula. Sólo dentro del sistema solar, se ha encontrado agua líquida en satélites naturales como Europa (en Júpiter), Encélado o Titán (en Saturno), así como en Marte, lo que abre la posibilidad a la existencia (actual o pasada) de algún tipo de forma de vida.
La búsqueda de vida en el universo es una empresa tan ansiada que ya en 1998 la NASA creó el Instituto de Astrobiología. Esta disciplina incluye la exobiología, que combina el conocimiento de astrofísicos, biólogos, químicos y geólogos para el estudio de la viabilidad y de las posibles características de las formas de vida extraterrestres. No es una disciplina científica pura, pero sí se basa en hipótesis verificables.
Como hemos visto, responder a la pregunta sobre la vida más allá de la Tierra puede que sea la cuestión más complicada con los datos con los que contamos actualmente. Durante muchos siglos, nuestra visión egocéntrica del sistema solar, y del universo entero, nos llevó a pensar que nuestro planeta era especial y único. Hoy en día, cada vez son más las voces que argumentan en favor de la existencia de vida en algún otro punto (si no en muchos) de un universo inmenso, del que nosotros formamos una parte minúscula. El debate sigue abierto y lo único que todos tenemos claro es que, en este momento, la vida en la Tierra es la única vida conocida en el universo.
3
¿CÓMO SURGIÓ LA VIDA?
Descifrar el origen de la vida en nuestro planeta ha sido una cuestión que ha inquietado al ser humano durante miles de años. Ya los filósofos de la antigua Grecia formularon teorías para explicarlo: Empédocles (s. V a. C.) proponía que la vida surgía de miembros formados a partir de tierra y barro, siendo viables únicamente las uniones armónicas; por su parte, Aristóteles (s. IV a. C.) se oponía a esta idea de fragmentos creados al azar, postulando que los organismos aparecían completamente formados, en un proceso lento y gradual (por ejemplo, «del queso salen gusanos»).
Durante años se aceptó la teoría de la generación espontánea (formas de vida que aparecían espontáneamente a partir de materia en descomposición, como restos de comida o ropa sucia impregnada en sudor). El primer científico en cuestionarla fue Francisco Redi (1626-1697), quien demostró experimentalmente cómo las larvas de las moscas no aparecían espontáneamente en la carne en descomposición. Para demostrarlo, colocó fragmentos de carne en diversos frascos, algunos abiertos, otros cerrados completamente y otros cubiertos por una gasa. Al cabo de cierto tiempo observó cómo aparecían larvas en la carne de los frascos abiertos y sobre la gasa de los frascos tapados con este material. En los frascos cerrados no había larvas, lo cual demostraba que estas provenían de huevos que las moscas adultas habían depositado previamente.
Los avances de Redi no cerraron el debate sobre la generación espontánea (el mismo Redi la asumía posible bajo ciertas condiciones, por ejemplo, para explicar el caso de las lombrices intestinales). De hecho, en el siglo XVIII, John Needham intentó demostrar experimentalmente la generación espontánea (argumentando que los organismos aparecían espontáneamente después de hervir un líquido). Lazzaro Spallanzani replicó sus experimentos, logrando para ello una mayor esterilización de los frascos (en los que eliminó el aire), lo que probó como incorrectos los resultados de Needham. Sus demostraciones no fueron aceptadas por una comunidad científica, reacia aún a descartar la generación espontánea.
Y es que esta teoría permaneció vigente hasta el siglo XIX, cuando Louis Pasteur (1822-1895), variando los métodos de Needham y Spallanzani, ganó el concurso de la Academia Francesa de las Ciencias con un experimento en el que logró, aplicando calor, la esterilización de un caldo de cultivo, que colocó en dos matraces. En uno de ellos dobló el cuello en forma de S, logrando que el aire pudiera pasar (pero no los microorganismos). Observó así que en el matraz con el cuello doblado el caldo no se contaminaba, mientras que sí lo hacía en el otro. Esto demostraba que los microorganismos estaban suspendidos en el aire: no se generaban de forma espontánea.
Pasteur demostró así que todo ser vivo proviene de otro ser vivo preexistente. La cuestión ahora era: ¿cómo se formaron los primeros organismos vivos? Si esta pregunta se planteara a una persona creacionista, sin duda la respuesta será clara: la vida es tan compleja que no puede basarse en un proceso natural, sino que es resultado de un principio divino dirigido por un ser supremo o dios.
El Museo Pasteur de París todavía conserva los matraces de cuello de cisne originales usados por Pasteur para refutar la teoría de la generación espontánea. Los experimentos de Redi no habían convencido a la comunidad científica, entre otros motivos porque, al cerrar los frascos, se eliminaba de ellos el aire (elemento considerado esencial para la vida). Pasteur soluciona este problema doblando el cuello de los matraces, de manera que el aire continuaba pasando al interior, no así los microorganismos en él contenidos, que quedaban atrapados antes de llegar al caldo de cultivo. Fuente: @microBIOblog
Lo curioso es que esta idea de la complejidad también aparece en contextos científicos. Algunos autores reconocidos postularon que, incluso las formas de vida más sencillas que existen actualmente son demasiado complejas para haberse creado en la Tierra. Este posible origen extraterrestre de la vida fue afirmado por primera vez por Arrhenius (1859-1927) en la teoría de la panspermia (las primeras «semillas de vida» –esporas o bacterias– habrían llegado del espacio en meteoritos). Pese a ser controvertida, esta teoría no se rechaza del todo y continuamente han surgido ideas similares a lo largo de la historia de la ciencia. La hipótesis que más se aceptaría en estos momentos es la posibilidad de que gran parte de la materia prima a partir de la cual se desencadenó el proceso del origen de la vida podría haber provenido del espacio exterior (de hecho, se han encontrado moléculas orgánicas –como aminoácidos– en meteoritos).
En un plano más contrastable, los primeros científicos en postular su hipótesis sobre el origen de la vida fueron, de forma independiente, Oparin (1894-1980) y Haldane (1892-1964). Ambos apostaban por un proceso de evolución química: la vida surgiría a partir de reacciones químicas entre los compuestos inorgánicos presentes en la atmósfera (en la que ya estaban disponibles el hidrógeno, el carbono, el nitrógeno y, en muy escasa cantidad, también el oxígeno). Estas moléculas fueron arrastradas por la lluvia hacia los océanos y sometidas a la energía procedente de la radiación solar, descargas eléctricas, radiactividad y actividad volcánica. En ciertos microambientes (como charcos pequeños costeros) donde la concentración de moléculas fuera alta (ambientes denominados en su conjunto «caldo primitivo»), las moléculas sencillas reaccionarían entre sí formando moléculas orgánicas más complejas (en un proceso conocido como condensación), proceso que ocurrió bajo la protección de una película de agua que impediría que estas moléculas orgánicas fueran destruidas por la radiación ultravioleta.
A medida que aumentaba la concentración de estas moléculas, reaccionarían entre sí formando sistemas plurimoleculares, encerrándose en pequeñas gotas que Oparin denominó coacervados. Estos coacervados consiguieron un medio interno distinto al exterior y fueron perfeccionándose poco a poco, y fueron capaces de intercambiar materia y energía con el ambiente y mejorar la eficacia de ciertas reacciones químicas internas. Algunos de ellos lograron tal estabilidad química que consiguieron persistir y duplicarse (en un proceso de «selección natural» denominado síntesis prebiótica). Estos coacervados darían lugar a las primeras estructuras celulares.
La teoría de Oparin se publicó en 1924, sin pruebas experimentales que la contrastaran. Estas pruebas llegarían en 1953, cuando Stanley Miller, a propuesta de su profesor, Harold Urey, reprodujo en el laboratorio las condiciones de la Tierra primitiva (hidrógeno, vapor de agua, metano y amoniaco, sometidos a descargas eléctricas). Tras esperar 24 horas, cerca de la mitad del carbono presente originariamente como metano se había convertido en aminoácidos y otras moléculas orgánicas. A pesar de que actualmente está en duda que la composición de la atmósfera primitiva fuera tan reductora como Miller propuso, en experimentos posteriores con atmósferas menos reductoras también se obtuvieron moléculas orgánicas.
Por lo que, con independencia del tipo de atmósfera que la Tierra tenía, se acepta como demostrada la posibilidad de formación de moléculas orgánicas a partir de materia prima inorgánica sometida a una importante fuente de energía, bajo una capa de agua y en condiciones casi anaerobias (ya que el oxígeno degradaría por oxidación las primeras moléculas formadas), aspectos que existían en la Tierra primitiva.
Actualmente, se acepta de forma generalizada la teoría de Oparin-Haldane, pero se han propuesto modificaciones. La teoría de la arcilla propone que las primeras moléculas orgánicas pequeñas se acumularon en la superficie de moléculas de arcilla (de los fondos marinos), dado que estas tienen una carga eléctrica que atrae a las moléculas disueltas con carga opuesta, estimulando así la formación de moléculas orgánicas más grandes. La hipótesis del mundo de ARN, por otro lado, acepta el ARN como primer material genético, que daría lugar posteriormente a una forma más estable (el ADN). Por último, la teoría del mundo de hierro-azufre (G. Wächtershäuser) afirma que la energía utilizada no fue externa, sino proveniente de las reacciones de oxidación y reducción de los sulfuros de hierro y otros minerales como la pirita, presentes en fuentes hidrotermales o «chimeneas negras» submarinas.
Como se ha podido comprobar, el origen de la vida es un misterio que, a día de hoy, no se ha terminado de descifrar. La mayor parte de la comunidad científica coincide en que fue fruto de las leyes naturales, pero que estas actuaran en el agua, sobre arcilla, en fuentes hidrotermales o sobre material proveniente de meteoritos es algo que, actualmente, sigue creando multitud de controversias. Tantas que imposibilitan cerrar esta pregunta de forma definitiva. Al menos, por el momento…
4
¿CUÁL FUE EL ANTECESOR DE TODAS LAS CÉLULAS?
Para responder a esta pregunta, remontémonos al momento en que aparece la Tierra. Nuestro planeta se formó hace aproximadamente 4.550 millones de años, por acreción gravitatoria de los fragmentos rocosos, gas y polvo, que giraban en un disco protoplanetario alrededor de la recién formada estrella Sol. La vida surgiría en nuestro planeta algunos millones de años después. Los restos fósiles más antiguos que se han encontrado son los llamados estromatolitos, unas estructuras sedimentarias similares a rocas pero de origen orgánico, producto del crecimiento y de la actividad metabólica de distintos microorganismos (procariotas filamentosos y cianobacterias). Estos restos tienen unos 3.500 millones de años de antigüedad. No obstante, el hecho de no tener restos fósiles que lo demuestren no cierra la puerta a la posibilidad de que hubiera vida antes de esta fecha.
Durante muchos años, los científicos han puesto el límite en el bombardeo intenso tardío (LHB), ocurrido entre 3.800 y 4.100 millones de años, período en el que la Tierra y la Luna sufrieron choques de asteroides de tal magnitud que hubieran imposibilitado la supervivencia de cualquier especie viva. Sin embargo, investigadores de la Universidad de Colorado, a través de modelos tridimensionales computarizados, han demostrado cómo los posibles microorganismos de la Tierra pudieron haber sobrevivido a ese bombardeo. Esto abre las posibilidades al surgimiento de la vida desde que los océanos primitivos se formaron, hace 4.400 millones de años.
Como ya hemos visto, la presencia de agua líquida fue imprescindible como sustrato de las reacciones bioquímicas que dieron lugar a las primeras moléculas orgánicas. Estas biomoléculas, aisladas y protegidas del medio externo en microesferas membranosas formando coacervados, darían lugar a las protocélulas, antecesores inmediatos de las células vivas. El paso de protocélula a célula no fue inmediato, ni se puede ubicar en un momento temporal específico; los procesos evolutivos son graduales y complejos.
Actualmente, los seres vivos se clasifican en tres grandes dominios: Bacteria, Archaea (organismos formados por células procariotas, que son aquellas que carecen de estructuras membranosas en su interior) y Eukarya (organismos formado por células eucariotas). A partir del análisis del ARN que compone los ribosomas (estructuras sintetizadoras de proteínas presentes en todas las células) de los tres grupos se ha postulado la hipótesis de que los tres dominios derivan de un ancestro común, denominado progenote o Last Universal Common Ancestor (LUCA).
Algunas pruebas que apoyan esta hipótesis son la existencia de patrones universales, como el código genético común a todos los seres vivos, o los procesos de obtención de energía a partir de la degradación de moléculas orgánicas complejas, algo que también es universal. Aunque los organismos difieren en la forma de obtener estas moléculas: si las toman del medio, se denominan heterótrofos; si las sintetizan ellos mismos, autótrofos. Los organismos autótrofos pueden sintetizar esta materia orgánica gracias a una fuente de energía externa (la energía solar si son fotosintéticos; o la energía liberada en reacciones químicas entre sustancias inorgánicas si son quimiosintéticos).
A partir de LUCA, las primeras células en aparecer fueron procariotas. Aunque algunas investigaciones sugieren que podrían haber sido autotróficas, la mayoría de los científicos acepta actualmente que debieron ser bacterias heterótrofas que metabolizaban moléculas orgánicas de forma anaeróbica (ya que la atmósfera de la Tierra primitiva carecía de oxígeno). A partir de ellas, algunas células adquirieron la capacidad para emplear la luz solar como fuente de energía (surgiendo así las primeras bacterias fotosintéticas). Este sistema posibilitó la síntesis de moléculas complejas a partir de compuestos sencillos (primeros organismos autótrofos), lo que sin duda supuso una ventaja adaptativa que se propagó velozmente.
Las primeras bacterias fotosintéticas probablemente utilizaron el sulfuro de hidrógeno disuelto en agua como fuente de hidrógeno. Cuando la actividad volcánica se redujo, también lo haría la cantidad de sulfuro de hidrógeno, de forma que las bacterias evolucionaron y lograron usar el agua como fuente de hidrógeno. Como consecuencia de la fotosíntesis, además, se comenzaron a liberar grandes cantidades de oxígeno a la atmósfera (parte del cual se combinó con el hierro de la corteza formando óxidos) y los niveles de oxígeno aumentaron paulatinamente hasta que se estabilizaron hace aproximadamente 1.500 millones de años.
Con el incremento de oxígeno también llegó la evolución bacteriana hacia formas de vida aeróbicas, que aprovecharon el poder degradante de este elemento para metabolizar las moléculas nutritivas y obtener una cantidad de energía mucho mayor de la que lograban los organismos anaerobios, otra gran ventaja evolutiva.
Teoría endosimbiótica postulada por Lynn Margulis en 1967. Una célula procariota inicial habría conseguido una envoltura nuclear (proceso 1) mediante invaginación de su membrana, rodeando el material genético. Posteriormente, llevó a cabo la fagocitosis de bacterias aerobias (proceso 2) y bacterias fotosintéticas (proceso 3) de vida libre, que se convertirían en mitocondrias y cloroplastos, respectivamente, perdiendo la mayor parte de su material genético y quedando bajo el control de la célula huésped. Algunas pruebas que refuerzan esta teoría son el tamaño de estos orgánulos (similar al de las bacterias), la presencia en ellos de membrana, material genético propio y ribosomas de igual tamaño que los de las células procariotas. Foto: Polyhedron, Wikimedia Commons
Como vestigio de este proceso, podemos estudiar los organismos extremófilos, capaces de sobrevivir en los ambientes más inhóspitos (en la Antártida, a varias decenas de grados bajo cero y sin apenas nutrientes en el medio; en fisuras de rocas a más de 100 °C; en ambientes de extremas condiciones de sal o acidez; etc.). Son muestras claras de la capacidad de supervivencia de las bacterias y su adaptación a las condiciones primitivas terrestres.
Los procariontes fueron las únicas formas de vida en la Tierra durante casi 2.000 millones de años, hasta que sucedió el segundo proceso evolutivo más importante en la historia de nuestro planeta (después del origen de la vida): la aparición de los eucariontes. Recordemos que los eucariontes tienen, a diferencia de los procariontes, un sistema de membranas internas que forman orgánulos como el núcleo, la mitocondria y el cloroplasto.
La membrana nuclear se habría formado por invaginación de un fragmento de membrana cerca del sitio donde la célula tenía adherido el ADN, encerrándolo y formando el precursor del núcleo celular (proceso 1 de la ilustración que muestra la teoría endosimbiótica). Respecto a la aparición del cloroplasto y la mitocondria, la hipótesis más aceptada es la teoría endosimbiótica, postulada por la investigadora Lynn Margulis en 1967. Acorde con este modelo, estos orgánulos provienen de un proceso de fagocitosis sin digestión posterior. Las mitocondrias serían originariamente procariontes heterótrofos aeróbicos y los cloroplastos serían organismos fotosintéticos (ambos de vida libre), que habrían sido fagocitados por células de mayor tamaño (englobados por la membrana e introducidos en su interior), creando así los primeros organismos eucarióticos (procesos 2 y 3, respectivamente, de la ilustración que muestra la teoría endosimbiótica).
Algunas de estas asociaciones resultaron favorables (los huéspedes obtuvieron protección y mejoraron la producción energética de la célula hospedadora) y permitieron a estos primeros eucariontes conquistar nuevos ambientes. Estos organismos darían lugar a los primeros seres pluricelulares.
5
¿QUÉ TENEMOS EN COMÚN LOS SERES VIVOS, LOS DIAMANTES Y LA MINA DEL LÁPIZ?
La respuesta es una palabra de siete letras: carbono. Los átomos de este elemento, dispuestos de una manera u otra, pueden formar el blando grafito que se desprende sobre al papel al escribir, el durísimo y valorado diamante, o gran parte de las estructuras que componen cualquier ser vivo.
Si el lector mira por un momento a su alrededor, seguro que encuentra diferentes formas de vida que le rodean (los árboles del parque, las flores de una jardinera, el perro del vecino, los pájaros, los bebés o los ancianos caminando en la calle, etc.). Si en lugar de mirar, cierra los ojos y se traslada a un lugar más alejado (una selva, un arrecife de coral, un bosque de ribera, etc.), se dará cuenta de la gran diversidad de seres vivos que componen el planeta.
Si esta diversidad es asombrosa, lo es más aun pensar que toda la materia viva (desde su vecino hasta el plancton alrededor del arrecife) está formada en un 99 % por sólo seis de los 118 elementos químicos conocidos. Son los llamados bioelementos primarios: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y, en menor proporción, azufre y fósforo.
Estos elementos se combinan entre sí mediante enlaces químicos, formando las biomoléculas o principios inmediatos, que no son ni más ni menos que los bloques estructurales (las piezas de Lego) con los que se construye la materia viva. La denominación de «principio inmediato» se debe a que pueden ser aislados por medios físicos (como la centrifugación o la filtración) sin que su composición molecular se vea alterada.
¿Y cuáles son estas biomoléculas que nos forman? Para estudiarlas, se han clasificado en dos tipos, orgánicas e inorgánicas, según sean o no exclusivas de los seres vivos. Las biomoléculas inorgánicas se pueden encontrar en materia viva e inerte, y son compuestos tan sencillos como esenciales (el agua, las sales minerales, el oxígeno o el dióxido de carbono).
Los organismos vivos contienen entre un sesenta y un noventa por ciento de agua. Su capacidad disolvente convierte a esta molécula en el medio ideal para el desarrollo de la mayor parte de las reacciones químicas indispensables para la vida. Su cohesión y adhesión (tendencia de las moléculas de agua a mantenerse unidas entre sí y a superficies ligeramente cargadas) permiten su ascenso contra la gravedad en los tejidos conductores de las plantas. Su gran capacidad para absorber calor sin cambiar su temperatura (calor específico) le permite moderar los efectos de los cambios de temperatura ambiental. Su menor densidad en estado sólido (al congelarse, las moléculas se reorganizan dejando huecos) permite que el hielo flote sobre el agua líquida (aspecto imprescindible en zonas frías, donde la capa superior de hielo sirve de aislante que retrasa el congelamiento del resto del agua, lo que permite la vida por debajo).
Por otra parte, las sales minerales precipitadas forman parte de muchas estructuras de protección y sostén de los organismos vivos (esqueletos, huesos, caparazones) y las sales en disolución actúan como sistemas amortiguadores de las variaciones de pH en el medio, además de participar en algunos procesos importantes como la transmisión del impulso nervioso o la contracción muscular.
En cuanto a las biomoléculas orgánicas, estas se caracterizan por ser exclusivas de la materia viva. Además, desde un punto de vista químico, están formadas por cadenas de carbono, unidas a átomos de hidrógeno y, en su defecto, a grupos funcionales (grupos de átomos conocidos, como el grupo fosfato o el grupo metilo, que aportan a la molécula que los porta unas características específicas). Existen cuatro tipos de biomoléculas orgánicas: los glúcidos, los lípidos, las proteínas y los ácidos nucleicos.
Molécula de glucosa. La glucosa es el compuesto orgánico más abundante en la naturaleza: constituye la principal fuente de energía celular, y forma parte de estructuras de sostén importantes como la celulosa y el almidón vegetal, o el glucógeno en animales. Es un glúcido sencillo formado por seis átomos de carbono, a los que se unen sendos átomos de oxígeno y doce átomos de hidrógeno. Es, por tanto, una hexosa (se utiliza el sufijo -osa para referirse a los azúcares, y el prefijo denota la cantidad de átomos de carbono del mismo). Foto: Heinzjg, Wikimedia Commons
Los glúcidos son también llamados carbohidratos («carbono más agua»), nombre asignado en el siglo XIX, cuando químicamente se los consideraba átomos de carbono hidratados; ahora se sabe que esto no es así. En realidad, están formados por cadenas de carbono unidas a átomos de hidrógeno y oxígeno. También se les ha llamado azúcares por su sabor dulce, pero algunos (como la celulosa) no tienen este sabor.
Se clasifican en función de su complejidad, de forma que encontramos monosacáridos (formados por una sola molécula de azúcar, como la glucosa y la fructosa), disacáridos (formados por la unión de dos monosacáridos, como la sacarosa o la lactosa) y polisacáridos (como el almidón o la celulosa). Los glúcidos sencillos tienen función energética (constituyen la fuente primaria e inmediata de energía química en las células), mientras que los glúcidos complejos tienen una función de reserva energética (como el almidón en las plantas, o el glucógeno en animales) y estructural (como la celulosa en vegetales o la quitina en el exoesqueleto de artrópodos y en los hongos).
Niveles de estructurales de las proteínas. La estructura más simple es la secuencia lineal de aminoácidos, el orden de los mismos determina el resto de los niveles. Estas cadenas pueden girar sobre sí mismas, formando una alfa hélice, o colocarse de forma paralela unas a otras, doblándose en zigzag (formando la lámina beta). El conjunto de hélices y láminas se pliega de nuevo, adoptando una conformación tridimensional globular (como en la imagen) o fibrosa (como la fibroína de la seda). El cuarto nivel sólo se presenta en las proteínas formadas por varias subunidades ensambladas. La imagen muestra la hemoglobina, proteína formada por cuatro subunidades (o protómeros). Foto: Adaptado de LadyofHats, Wikimedia Commons
Los lípidos, por su parte, son un grupo heterogéneo de moléculas, comúnmente denominadas «grasas» (aunque en realidad, las grasas son un tipo específico de lípido). Entre ellos encontramos los aceites, las grasas y las ceras, los fosfolípidos y los esteroides. Todos ellos comparten ser poco o nada solubles en agua (los consideramos hidrofóbicos), lo cual les proporciona unas propiedades importantes desde el punto de vista biológico. Algunos tienen función protectora y aislante (forman cubiertas impermeables en plantas y animales); otros forman parte esencial de las membranas plasmáticas que rodean a las células (fosfolípidos y colesterol); otros actúan como reserva energética (el organismo consume lípidos cuando su principal fuente, los glúcidos, escasean); y otros más son hormonas.
La tercera biomolécula orgánica son las proteínas. Son las moléculas orgánicas más abundantes (sin tener en cuenta el agua, constituyen el 50 % de nuestro peso). Además de abundantes son variadas, y cumplen funciones muy diversas: estructural (colágeno de huesos o tendones, queratina de uñas y pelos), de reserva (ovoalbúmina del huevo, caseína de la leche), de transporte (la hemoglobina transporta oxígeno en la sangre), defensiva (los anticuerpos son proteínas), hormonal (insulina), facilitadoras de reacciones químicas (enzimas), etc.
Todas las proteínas están formadas por la unión de unidades más pequeñas llamadas aminoácidos (sólo veinte de ellos forman parte de las proteínas y son iguales en todos los seres vivos). Las cadenas de aminoácidos se pliegan y se enrollan, formando estructuras cada vez más complejas. Incluso, en un último nivel, se pueden unir a otras cadenas de aminoácidos también plegadas. Las estructuras tridimensionales resultantes determinan en gran medida la función que cumple cada proteína. Dicho de otro modo, si la proteína pierde su estructura tridimensional, pierde su función. Este proceso, conocido como «desnaturalización», puede ocurrir al aplicar calor –por ejemplo, la albúmina del huevo al hervirlo–, cambiar el pH –un medio ácido, como el vinagre, ayuda a mantener los pepinillos encurtidos sin bacterias– o al aplicar agentes químicos –la permanente es un proceso de desnaturalización de la queratina del cabello.
Por último contamos con los ácidos nucleicos, moléculas clave en el almacenamiento y transmisión de la información genética. Se encontraron por primera vez en el núcleo eucariótico (de ahí el nombre), aunque ahora se sabe que existen también en el citoplasma. Estos ácidos están formados por largas cadenas de subunidades denominadas nucleótidos. Cada nucleótido contiene un grupo fosfato, una base nitrogenada y una pentosa (si es ribosa, tendremos el ácido ribonucleico o ARN; si es desoxirribosa, tendremos el ácido desoxirribonucleico o ADN). Existen, además, otros nucleótidos sencillos que no forman parte del ARN ni el ADN, como el AMP cíclico o el ATP.
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¿CUÁL ES LA CÉLULA MÁS GRANDE QUE EXISTE?
Para comprender el tamaño celular, primero debemos conocer qué elementos forman parte de una célula. Independientemente del tamaño, todas las células comparten unas características comunes, funcionan como sistemas que intercambian materia y energía con su entorno, y tienen tres estructuras básicas y universales.
En primer lugar, están rodeadas por una membrana plasmática fluida, que las aísla, regula el flujo de materiales en ambos sentidos y permite su interacción con otras células y con el entorno extracelular. Esta capa está formada principalmente por lípidos que, al ser hidrofóbicos, forman una burbuja alrededor de la célula como lo haría una gota de aceite al caer sobre el agua. Entre los lípidos encontramos proteínas incrustadas, algunas ejercen de canales para el paso de sustancias de cierto tamaño, otras sirven como receptores de mensajes del exterior, o como zonas de comunicación con otras células.
Además, todas las células tienen un medio interno denominado citoplasma, constituido por un fluido gelatinoso a base de agua, sales y moléculas orgánicas (el llamado citosol o hialoplasma), en el que se encuentran los orgánulos y, en el caso de las células eucariotas, una compleja estructura de filamentos proteicos que determinan la forma de la célula, sus movimientos y los de sus orgánulos (el citoesqueleto). Casi todas las actividades metabólicas de la célula ocurren en el citosol.
Otra característica celular común es el uso del ADN como material genético, que almacena las instrucciones para fabricar todas sus partes y producir nuevas células. Además del ADN, se utiliza el ARN como molécula intermediaria para copiar y transmitir la información de la herencia.
Aparte de estas tres estructuras comunes, también hay aspectos que caracterizan a los dos grandes tipos celulares que existen: las células procariotas y las eucariotas. Como veíamos anteriormente, las primeras son más antiguas y, por tanto, más sencillas estructuralmente hablando (además de tener un menor tamaño). Observándolas podríamos detectar la membrana plasmática, el citoplasma y el material genético, que en estas células se encuentra en forma de una molécula de ADN circular, localizada en una zona denominada nucleoide, y en moléculas de ADN extracromosómicas circulares denominadas plásmidos. A estos elementos se añade una capa externa denominada pared celular bacteriana (que protege a la célula y le da soporte), una cápsula (sólo en algunos tipos bacterianos), unas estructuras móviles llamadas flagelos o fimbrias (presentes sólo en ciertos tipos de procariontes), estructuras de menor tamaño (pili) relacionadas con el intercambio de material genético de una célula a otra, y como único tipo de orgánulo en el interior del citoplasma, encontraríamos los ribosomas (encargados de la síntesis de proteínas).
En una célula eucariota, por otro lado, encontramos estructuras más complejas y evolucionadas. En primer lugar, el material genético se encuentra delimitado por una membrana (envoltura nuclear) que lo aísla del citoplasma, en la estructura conocida como núcleo celular. Además, exteriormente a la membrana plasmática (y sólo en células vegetales) se encuentra una pared celular protectora.
En el citoplasma, además de ribosomas (que en estas células son de mayor tamaño a los que veíamos en las células procariotas) encontramos diversos orgánulos: mitocondrias (encargadas de producir energía por metabolismo aerobio), cloroplastos (encargados de realizar la fotosíntesis, presentes sólo en vegetales y algas verdes fotosintéticas), retículo endoplasmático (sintetizador de componentes de membrana, proteínas y lípidos), aparato de Golgi (que modifica y empaqueta proteínas y lípidos), lisosomas (encargados de la digestión intracelular mediante enzimas), vesículas y vacuolas (almacenes de agua, desechos y nutrientes), y centriolos (productores de los microtúbulos proteicos de cilios, flagelos y el huso mitótico, una estructura usada para la división celular).
Estructura de una célula procariota. Algunas de las estructuras representadas son comunes a todas las procariotas (como el material genético, el citoplasma, los ribosomas, la membrana plasmática y la pared celular), mientras que otras estructuras pueden aparecer o no, en función del tipo celular (las estructuras de movimiento, como los flagelos, sólo existen si la célula tiene movimiento activo; y la presencia o ausencia de cápsula nos permite identificar distintos tipos de bacterias). Foto: Ruiz, M., Wikimedia Commons
Ahora que conocemos la compleja estructura interna de la célula, podemos retomar el problema del tamaño. La mayoría de las células miden entre 1 y 100 micras (millonésimas de metro) de diámetro. La razón de este diminuto tamaño la encontramos en la forma en la que la célula intercambia materia con el ambiente exterior, generalmente, a través de un proceso de difusión por su membrana plasmática. Los materiales intercambiados deben difundirse por todo su volumen, lo cual implica que ninguna parte de la célula esté muy retirada del ambiente exterior.
Estructura de una célula eucariota. En este caso se trata de una célula animal, dada la ausencia de cloroplastos y de vacuolas de gran tamaño. En este tipo de células, el núcleo suele ocupar una posición central, rodeado del retículo endoplasmático rugoso (se reconoce por poseer ribosomas adheridos) y liso (carece de ribosomas). El aparato de Golgi forma el tercer componente de este sistema de endomembranas, encargado de sintetizar sustancias como proteínas o lípidos y transportarlas, en el interior de vesículas de secreción, a otras partes de la célula o al exterior de la misma. Foto: Ruiz, M., Wikimedia Commons
Además, el metabolismo celular requiere que los materiales puedan intercambiarse con cierta celeridad, tanto para el ingreso de sustancias (conforme a las necesidades celulares) como para la eliminación adecuada de sustancias de desecho. Un incremento en tamaño supone una disminución relativa de su superficie (ya que el volumen aumenta relativamente más que la superficie) lo que ralentizaría estos procesos de intercambio.
La célula más pequeña conocida por el momento, con un genoma formado por un cromosoma circular de sólo 182 genes, es la proteobacteria Carsonella ruddii. Esta bacteria vive dentro de psílidos (insectos chupadores de savia) de forma simbiótica (acorde con las investigaciones, esta vida endosimbiótica explicaría su supervivencia con un genoma tan reducido). Si analizáramos individuos de vida libre, el más pequeño conocido es la bacteria Mycoplasma genitalium, con 0,2 micrómetros (micras), de diámetro que vive en las células del tracto genital y respiratorio de los primates.
Las células eucariotas son mayores, en el caso de los animales su tamaño es muy variado: los glóbulos rojos alcanzan las 7 micras, los espermatozoides miden 50 micras, y los óvulos humanos pueden alcanzar las 150 micras. Y las células vegetales son de mayor tamaño todavía; los granos de polen, por ejemplo, pueden alcanzar las 200-300 micras de diámetro.
Pero, resolviendo la pregunta inicial, sobre la célula más grande que se conoce actualmente, podríamos afirmar que este galardón se lo llevaría la célula nerviosa. Las neuronas tienen largos axones (prolongaciones del citoplasma) que permiten a los centros procesadores (encéfalo y médula espinal) enviar señales a los receptores más alejados del cuerpo. En nuestro caso, pueden medir más de un metro si tienen que conectar la médula con, por ejemplo, la punta del pie. En el calamar gigante, sin embargo, estos axones podrían superar los 12 metros de largo.
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¿CÓMO SE DESCUBRIÓ LA PRIMERA CÉLULA?
El ojo humano puede distinguir objetos hasta un límite aproximado de una décima de milímetro (es decir, 100 micrómetros), y la mayoría de las células, como hemos visto, tienen un tamaño más reducido. Esto implica que el descubrimiento de la primera célula estuvo supeditado a la invención de un instrumento adecuado para poder observar muestras de tan diminuto tamaño: hablamos, claro está, del microscopio.
Fue el científico inglés Robert Hooke, con un microscopio muy sencillo de fabricación propia, quien observó y nombró las células por primera vez en 1665, observando una lámina de corcho (el corcho forma parte de la corteza del alcornoque y es un tejido constituido por varias capas de células muertas).
Células de corcho dibujadas por Robert Hooke en su trabajo Micrographia. En una capa muy fina de corteza de corcho, Hooke distinguió las paredes celulares, que se asemejaban a las celdas de los monjes, por lo que les puso este nombre (cells, en inglés «celdas»). Foto: Fernández García, L., Wikimedia Commons
Durante la siguiente década, el microscopio se fue mejorando, con lo que se consiguieron imágenes cada vez más amplificadas, en gran medida gracias al impulso del microscopista danés Anton van Leeuwenhoek. Este realizó numerosas observaciones de muestras microscópicas, desde protozoos (llamados por él «animáculos») hasta glóbulos rojos, espermatozoides, o huevos de pulgones y pulgas. Sus descubrimientos debilitaron la teoría de la generación espontánea, creencia generalizada en esa época.
Los estudios de las células prosiguieron y, en 1839, el zoólogo alemán Theodor Schwann, tras analizar una enorme cantidad de tejidos animales y comprobando que las células del cartílago se parecían mucho a las de las plantas, publicó el primer postulado de la teoría celular: «Todos los seres vivos, plantas o animales consisten en una célula o en sustancias segregadas por células».
Esta afirmación fue corroborada casi contemporáneamente por el botánico alemán Matthias Schleiden, quien estudió sistemáticamente diversos tipos de plantas y llegó a conclusiones similares. Las plantas también estaban formadas por unidades básicas y fundamentales, denominadas células.
Lo que no quedaba claro aún era cómo se generaban las células que formaban parte de los tejidos. Fue el patólogo Rudolf Virchow, quien, en 1858, enunció su famoso «Omnis cellula e cellula», estableciendo que toda célula procede de la división de otra célula preexistente.
Hasta ese momento, parecía claro que todo organismo (desde los microorganismos unicelulares a las plantas o animales) estaba formado por unidades individuales fundamentales denominadas células. La teoría celular era casi universal; sólo quedaba una excepción, una estructura en la que no podía ser aplicada: el tejido cerebral. Este tejido era considerado como una retícula o tejido interconectado.
Esta suposición se mantendría hasta 1906, cuando el médico español Santiago Ramón y Cajal compartió el Premio Nobel de Medicina por sus investigaciones sobre la morfología y funcionalidad de las células nerviosas (la conocida como «doctrina de la neurona»). Gracias a sus estudios, se comprobó que el tejido cerebral estaba formado por células individuales, por lo que se superó así la única excepción de la teoría celular, que a partir de ese momento se consideraría universal para cualquier organismo o estructura viva.
El avance en el descubrimiento de la célula es una muestra clara del progreso de la ciencia mediante la aplicación sistemática del método científico: cada investigador aportó sus estudios en su ámbito de conocimiento y mejoró el saber general sobre esta estructura vital básica. Gracias a todas las investigaciones descritas, se ha logrado establecer la teoría celular moderna, un precepto clave en biología, que se basa en tres principios:
Todo organismo vivo se compone de una o más células.La célula es la unidad básica estructural y funcional en todo ser vivo.Toda célula procede de una célula preexistente.Actualmente, la investigación continúa, y contamos con microscopios muy avanzados que nos facilitan el estudio detallado de los componentes celulares. El microscopio óptico nos permite reconocer células procariotas y visualizar algunas estructuras de gran tamaño de las células eucariotas (la membrana, la pared celular o el núcleo). El microscopio electrónico de transmisión (transmission electron microscope, TEM), que sustituye el haz de luz por un haz de electrones, tiene un poder de resolución mil veces superior, lo que permite observar detalles de orgánulos citoplasmáticos. Por otro lado, el microscopio electrónico de barrido (scanning electron microscope, SEM) proporciona una información muy útil sobre el relieve de la muestra observada, ampliando así nuestra percepción de los tipos celulares.
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¿CUÁNTAS CÉLULAS HAY EN EL CUERPO?
Unos 350 años después de que Robert Hooke identificara por primera vez una célula, podemos afirmar que la variedad de estas unidades de vida es inmensa. La cantidad de células que compone un ser vivo no es un cálculo sencillo, salvo, obviamente, en el caso de los seres unicelulares, como las bacterias o los protozoos. A partir de ahí, la cuestión se complica.
No obstante, podemos deducir que a mayor tamaño corporal, mayor es el número de células que forma parte de un organismo. De esta manera, el ser vivo más grande que se conoce hasta el momento (con un peso estimado de más de 7.000 toneladas métricas), será por tanto el que mayor cantidad de células posea. Este individuo no es una ballena azul ni una secuoya. Sorprendentemente, se trata de un hongo. En concreto, un ejemplar milenario de la especie Armillaria ostoyae, cuyas hifas ocupan una superficie de más de 800 hectáreas en el subsuelo del Bosque Nacional de Malheur, en Oregón (Estados Unidos).
Desde los seres unicelulares hasta este gigantesco hongo, hay un extenso abanico de individuos de muy variados tamaños. Los seres más sencillos se han estudiado con mayor detalle, pero hay pocos datos sobre el número de células en organismos superiores. En referencia, por ejemplo, al ser humano, la literatura aporta datos muy diversos, según el autor del estudio. En el año 2013, un equipo de investigadores de la Universidad de Bolonia intentó encauzar un poco las estimaciones y publicó lo que intenta ser un primer cálculo del número de células presentes en el ser humano. Sus datos arrojan un total de 3,72 x 1013 células, es decir, unos 37 billones de células.
Tipos de células madre. La unión del óvulo y el espermatozoide produce una única célula totipotente, el cigoto, a partir del cual se formarán las demás estructuras del cuerpo. Durante los cuatro días después de la fecundación, el cigoto se divide formando la mórula. A los seis días, la mórula se convierte en una esfera hueca llamada blastocisto. Dentro de él, encontramos una masa de células internas pluripotentes, que darán lugar al embrión y a todas sus estructuras. Cerca del segundo mes de embarazo, se han formado casi todos los órganos principales y las células que los constituyen se han especializado tanto que ya se consideran unipotentes. Foto: Jones, M., Wikimedia Commons
Cada una de estas células es distinta, aunque, como veremos más adelante, todas contengan el mismo ADN. Todas ellas, como establecía la teoría celular, provienen de células preexistentes. De hecho, las primeras células que componen nuestro organismo son células madre (stem cells) con capacidad potencial de diferenciarse, originando células maduras especializadas. Cada célula madura tiene una función específica.
Según su capacidad de diferenciación, las células madre se clasifican en totipotentes (tienen potencia celular máxima, están presentes en el cigoto y en las células del embrión temprano; asimismo, en algunas células diferenciadas los núcleos pueden conservar esta capacidad totipotente); pluripotentes (capaces de generar la mayoría de los tejidos); multipotentes (pueden originar células de su mismo linaje) y unipotentes (pueden diferenciarse en un sólo tipo de células). En el ser humano adulto se conocen unos veinte tipos distintos de células madre, encargadas de regenerar constantemente las células desgastadas de nuestros tejidos.
El amplio campo actual de investigación en células madre ha logrado crear células pluripotenciales a partir de células ya diferenciadas, lo que ha abierto la vía a múltiples aplicaciones en el campo, por ejemplo, de la clonación, la lucha contra el cáncer o el tratamiento de enfermedades producidas por lesiones cerebrales o medulares. Todos ellos son estudios sujetos a una importante revisión y crítica, al aplicarse los principios de bioética que rigen cualquier investigación que implique la manipulación genética de células embrionarias humanas.
La diferenciación celular está controlada por mecanismos de regulación génica (unos genes se expresan, otros se reprimen, en función de las señales bioquímicas que la célula reciba del medio externo) e implica cambios a nivel interno (multiplicación de orgánulos, cambios en el citoplasma) y cambios en la forma externa celular (resultado de la presión mecánica de las células adyacentes, así como de la función específica que cumple en el organismo). De esta manera, contamos con más de 200 tipos distintos de células en el cuerpo.
Las células en medio acuoso (como la sangre) adquieren una forma esférica, exponiendo toda su superficie para el intercambio de sustancias con el entorno. Además, a nivel citoplásmico, los eritrocitos maduros de los mamíferos carecen de núcleo y mitocondrias. Por otro lado, las células que forman parte de tejidos se acoplan y oprimen unas a otras modificando su disposición. En el tejido muscular (que forma el 40-45 % de nuestra masa) encontramos células alargadas que por su forma son también llamadas «fibras musculares». Existen tres tipos de tejido muscular: el tejido liso involuntario, cardiaco y esquelético o voluntario. En este último, las células son muy largas, con muchos núcleos y gran cantidad de mitocondrias, dada la alta energía que consumimos en la contracción muscular voluntaria.
En el tejido epitelial, por otro lado, las células se disponen de forma estratificada (en una o varias capas, en función del tipo de recubrimiento que ejerzan). Algunas cuentan con pequeños cilios para empujar sustancias por su superficie, como las células de las vías respiratorias.
Las células hepáticas (hepatocitos) son poliédricas, tienen uno o dos núcleos, y se disponen formando hexágonos en el tejido del hígado. Los adipocitos, por otro lado, son esféricos y casi todo su medio interno está ocupado por una gran cantidad de lípidos, forman parte de los tejidos de grasa corporales. El cartílago está formado por células denominadas condrocitos, cuyo aparato de Golgi ocupa casi la totalidad del citoplasma, dada su función principal de síntesis proteica, que produce colágeno. Y, por último, las células óseas u osteocitos se disponen de forma concéntrica dentro de los huesos, con pequeños canales para comunicarse entre ellas.
Por otro lado, existe una serie de células con formas muy características debido a la función que realizan. En este grupo encontramos las células germinales (un óvulo con forma esférica y un espermatozoide que ha desarrollado un flagelo para el rápido movimiento a lo largo del aparato reproductor femenino) y las células nerviosas. Las neuronas son células especializadas en la transmisión del impulso nervioso, para ello, a nivel general, ya que hay distintos tipos, cuentan con un cuerpo celular llamado soma rodeado de unas prolongaciones, las denominadas dendritas, que captan la señal electroquímica y la envían a través de una prolongación aún mayor, el axón, hacia la siguiente neurona o hacia el órgano que vaya a efectuar la respuesta.
Como hemos podido comprobar, todos provenimos de una sola célula que, dada su capacidad totipotencial, es capaz de diferenciarse y producir células especializadas con múltiples formas en función del rol que asumen: células esféricas, alargadas y poliédricas. Todas ellas, más de treinta billones, funcionando de forma coordinada, conforman la estructura biológica que nos mantiene vivos.
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¿ES VERDAD QUE LAS CÉLULAS SE «SUICIDAN»?
Como hemos visto, la cantidad de células presentes en un organismo es inmensa, del orden de billones en el ser humano. Sin embargo, las células con las que nacemos no son las mismas con las que llegamos a adultos. De hecho, desde que el lector comenzó a leer este libro hasta este momento, millones de células de su cuerpo han desaparecido, y otros tantos millones de nuevas células se han formado.
