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sábado, 7 de mayo de 2022

¿Qué fue antes el huevo o la gallina?

Fig. 1. La evolución es el reflejo del paso del tiempo en ese código

Cuando era pequeño se oía este tipo de pregunta ¿Quién fue primero, el huevo o la gallina? las personas que te lo preguntaban ponían cara de ¡Oh, gran enigma!. Después de 25 años de estudio de la biología puedo asegurar que primero es el huevo (Y aprovecho para poner cara de ¡Después de 25 años de estudio de la biología! pena que no tenga una perilla para atusármela). De hecho seguimos siendo un huevo. Desde un punto de vista biológico sólo somos un huevo. Me explico. Cuando se fecunda un óvulo, éste empieza a dividirse. A las pocas divisiones ya se sabe que células van a ser las células sexuales, esto es, las únicas células del cuerpo humano que tendrán la oportunidad de pasar a la siguiente generación. Nuestros cuerpos son solo el contenedor de esas células que tendrán la oportunidad de pasar a la siguiente generación. Por supuesto esta es una visión reduccionista, pero desde un punto de vista biológico sólo importa aquellas células que se transmiten, esto es, el huevo. Fuimos huevo porque procedemos de un protozoo unicelular, y seguimos siendo un protozoo unicelular, un protozoo que pasa el 99.999999999999999999% de su tiempo con sus cromosomas repartidos entre dos células haploides: el óvulo y el espermatozoide.

El huevo fecundado comienza a dividirse. Cuando forma un puñado de células es cuando se dirime cuáles van a ser células sexuales y cuales somáticas. Las somáticas seremos nosotros, los humanos. Nuestra tarea será la de procurarle a nuestras células sexuales un background genético, es decir, si somos varones tenemos que buscarle un óvulo a nuestro espermatozoide, si somos mujeres un espermatozoide para nuestro óvulo. Los humanos, desde un punto de vista biológico solo somos portadores de nuestras células sexuales hasta que se genere un nuevo huevo del que se desarrollará un nuevo ser al que llamaremos hijo.

Preguntar que fue antes el huevo o la gallina es una pregunta trampa, porque no contempla la línea de tiempo que va implícita en nuestra información genética. En la figura 1 se observa como en la evolución, el huevo tal como lo conocemos aparece mucho antes de que en la Tierra aparezcan las aves. Los reptiles, de los cuales proceden las aves, ya ponían huevos. 

Cuando se estudia embriología, que es la ciencia que estudia el desarrollo de los embriones tiene un dicho: "la ontogenia recapitula la filogenia". Para los estudiantes de biología es una revelación. Al estudiar cómo se desarrolla un embrión se observa claramente como ese huevo se divide, forma un organismo pluricelular con una diferenciación de células sexuales y no sexuales (somáticas), se observa como forma un saco y como ese saco se pliega, vemos como el embrión es una especie de reptil con cola, como esa cola se reabsorbe, vemos unas agallas primitivas y membranas entre los dedos que van desapareciendo. Vemos la evolución del ser humano en el desarrollo del embrión. 

En biología, normalmente, lo más sencillo aparece en la evolución antes que lo complicado. Como diría el genetista T. Dobzhansky "Nada tiene sentido en biología si no es a la luz de la evolución". La evolución no es otra cosa que la influencia del paso del tiempo en ese material genético. Cuando se estudia biología se suele hacerlo desde una perspectiva antropocentrista. Estudiamos la célula humana y cuando comenzamos a estudiar las bacterias decimos: no tienen núcleo, no tienen organelos, no tienen... Como si lo normal fuese la célula humana y lo demás excepciones. 

Aquí tenemos que hablar de un concepto importante: 1 la evolución monofilética versus anastomosis. 

La primera célula fue una arqueobacteria. Cuando las cianobacterias llenaron la atmósfera de oxígeno, las arqueobacterias se retiraron de la superficie y se quedaron viviendo en lugares anóxicos, como fondo de mares, lagos, ríos, en el interior de la tierra... De las arqueobacterias aparecieron lo que nosotros llamamos bacterias verdaderas, más que nada porque como algunas causan enfermedades en humanos, son las que mejor conocemos. Bacterias como la del cólera, tuberculosis, disentería... A diferencia de las arqueobacterias, éstas son más pequeñas, no tienen citoesqueleto, son sacos a presión que evitan explotar gracias a una malla exterior de un material como de red que impiden que es presión interior las reviente.

La célula bacteriana es anterior en la evolución a la célula eucariota. 

Una arqueobacteria anaerobia fue parasitada por una eubacteria Gram negativa. Un estudio publicado por Martín Wu, plantea el siguiente escenario: las mitocondrias fueron bacterias Gram negativas que parasitaban el ATP de arqueobacterias. Con el tiempo, como veremos más adelante en este capítulo, fueron estrechando su relación con la arqueobacteriasy sólo se convirtieron en organismos simbióticos y por tanto beneficiosos cuando cambiaron de "chupar" el ATP a producirlo para el consorcio simbiótico. Por tanto, las células humanas proceden de una simbiosis entre bacterias. Es más, la célula eucariota surge por la simbiosis de varias bacterias, por ese motivo es más compleja. A esta teoría se le llama teoría endosimbiótica seriada, la cual explica que los hongos surgen de la simbiosis de esa bacterias Gram negativa y la arqueobacteria. Los animales habrían tenido otro evento simbiótico con una bacteria que les hubiese proporcionado la maquinaria molecular para la motilidad, y las plantas serían una célula con mitocondrias que además hubiese realizado una simbiosis con una cianobacteria con clorofila. De nuevo, de los más sencillo surge lo complicado.

Fig. 2. Cuando comenzó a aumentar la concentración de oxígeno en la atmósfera, las bacterias anaerobias, representadas de color azul comenzaron a desaparecer de la superficie de la Tierra. Fueron sustituídas por bacterias con capacidad de detoxificar el oxígeno atmosférico, en la imagen representadas por el color rojo. Hubo algunas bacterias anaerobias que fueron parasitadas por un tipo de bacterias Gram negativas. Con el tiempo, esta relación se hizo estable y se acabó formando una relación de mutua dependencia que derivó en la aparición de las células eucariotas.

En la célula eucariota, el tipo de célula de los humanos, también se puede hacer arqueología evolutiva. Por ejemplo, la glucolisis anaerobia tiene lugar en el citoplasma de la célula, mientras que el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa tienen lugar en la mitocondria. La mayor parte de los genes de la bacteria aerobia de la que procede la mitocondria se perdió o se transfirieron al núcleo. El investigador gallego Antón Vila-Sanjurjo intentó, de forma muy valiente y arriesgada, dotar a la mitocondria de los genes necesarios para que llevase una vida independiente. La mitocondria está ya tan adaptada a la vida en el interior de la célula eucariota que fue incapaz de lograr su objetivo. Una nota curiosa para los frikis: Es interesante la ARN polimerasa de la mitocondria que no tiene que ver con las ARN polimerasa de bacterias ni de las células eucariotas, ambas compuestas de múltiples subunidades. La ARN polimerasa de la mitocondria es similar a la de los bacteriófagos.

La cooperación es "Quid pro quo" no paz y amor

El ser humano tiende a pensar de manera dual: Dios vs Satán, Sol y Luna, Caliente frío. Lo contrario de la competencia es la cooperación. Pensar esto último es un sesgo cultural. Ser competitivo no es ser un cabrón y ser cooperante es ser un hippie o un santo. En la cooperación existen unas reglas muy estrictas que cumplir. Estamos empezando a liberarnos de prejuicios y a entender las reglas del juego. Varios autores están mostrando que las relaciones entre las especies suelen ser competitivas. Para llegar a una simbiosis se dan varios pasos. Uno de los primeros es el parasitismo. Una vez que no puedes zafarte del parásito, comienza una aventura juntos, una aventura en la que ambas partes se vigilan para comprobar que la otra cumple la parte del trato. El último paso, como hemos visto en el caso de la mitocondria, consiste en centralizar toda la información genética en un núcleo común.

Vamos a ver varios casos para comprender este proceso. Una simbiosis actual son los líquenes, que son la asociación de un liquen con una cianobacteria. Si una piedra con un liquen la ponemos boca abajo de manera que no le de el sol, entonces el hongo se comerá a la cianobacteria porque al quedarse sin el alimento que le da la cianobacteria se la come. Si la piedra la metemos en un cubo con agua, el hongo se ahogará al no tener oxígeno y la cianobacteria no porque es capaz de producir O2 a partir de CO2 y H20. Son, al fin y al cabo organismos independientes. Por tanto, un líquen parece una especie vegetal cuando es un consorcio en el que una cianobacteria y un hongo están unidos y crean una estructura característica siempre y cuando se mantengan las condiciones y la relación entre ambos se respete.

Cuando una arqueobacteria se asoció con una bacteria Gram negativa, al principio eran una simbiosis. Finalmente, la mayoría de los genes, no todos, de la bacteria migraron y se fusionaron con el genoma de la arqueobacteria. La membrana plasmática de la arqueobacteria se invaginó y creó una membrana nuclear en donde se confinó. En ese momento se puede decir que aparece la primera célula con núcleo verdadero: la célula eucariota.

Las invaginaciones de la membrana plasmática de Gemmata obscuriglobus son un preámbulo del núcleo celular

Hay bacterias como Gemmata obscuriglobus que son una especie de eslabón perdido. Serían algo así como el paso de las arqueobacterias a las Gram negativas. G. obscuriglobus es una Gram negativa pero que carece de péptidoglicano. Lo más notorio es que tiene una membrana plasmática invaginada como se puede ver en la Fig. 4 de la izquierda, en azul turquesa. Esta membrana invaginada es un preámbulo de la membrana nuclear.
Fig. 4. Micrografía electrónica (arriba) y reconstrucción tridimensional (abajo) de Gemmata obscuriglobus. Esta reconstrucción sugiere que el interior de la bacteria está muy dividada por membranas. Estas membranas están abiertas, es decir, no generan compartimentos estancos. La membrana externa (recordemos que es una Gram-negativa) está en verde, la interna en cian, el ADN en amarillo, el depósito de polifosfatos en azul y las cavitaciones en la membrana en rosa. La barra de escala = 500 nm. Fuente

Esta bacteria es muy interesante porque al no tener peptidoglicano no tiene una presión interna elevada y su membrana crea compartimentos similares a los que tiene la célula eucariota. De hecho se cree que las invaginaciones de la membrana plasmática de esta bacteria serían como un anticipo del núcleo celular.

Fig. 5. A Una procariota anaerobia y heterotrófica capta a una procariota aerobia pequeña. Existe pruebas de que el organismo fagocitado fue un ancestro de las rickettsias actuales. B el endosimbionte aerobio evolucionó a una mitocondria. C una porción de la membrana plasmática se invaginó y formó el precursor de la envoltura nuclear y el retículo endoplasmático adyacente. D La membrana nuclear va centralizando los genes de la célula que antes estaban adheridos a la membrana plasmática y la mayoría de los genes que estaban en el interior del cromosoma de la mitocondria. La mitocondria todavía retiene un pequeño cromosoma circular con algunos genes. La explicación es porque las proteínas de esos genes son necesarias en el interior de esa misma mitocondria y energéticamente es más favorable poder sintetizarlas en el lugar en donde se necesitan.

Gemmata obscuriglobus carece de peptidoglicano ¿Qué quiere decir esto? bien, si la función primaria del peptidoglicano es impedir que la presión interna de la bacteria la haga explotar, esto quiere decir que esta especie carece de la presión interna característica de las eubacterias (Gram-positiva y Gram-negativas). Por tanto, podemos deducir que Gemmata obscuriglobus carece de la característica presión de turgor. Quizás por ese motivo esta bacteria no es un simple saco rodeado con una malla de peptidoglicano como la mayoría de las eubacterias

La invaginaciones de la membrana plasmática son un preambulo del núcleo celular
En el modelo más aceptado de los posibles pasos que ocurrieron en la evolución de las células eucariotas, incluyendo el origen de las mitocondrias y los cloroplastos por endosimbiosis, está el origen del núcleo por invaginación de la membrana plasmática.

La bacteria X crea un territorio en el cuerpo de la ameba

Kwang Jeon, investigador de la Universidad de Tennessee (EEUU) que trabajaba con amebas, observó un día por casualidad que uno de los lotes de amebas iba enfermando y muriendo. Pudo ver que estas amebas estaban infectadas por una bacteria que él llamó bacteria X, una bacteria que es prima de nuestra conocida Legionella pneumophila. Unas pocas bacterias lograron sobrevivir en esas amebas infectadas. Recordemos que las amebas son depredadores naturales de bacterias. La bacteria X, lo mismo que Legionella pneumophila, son capaces de resultar indigestas y evitar ser digeridas por la ameba. Las bacterias se reproducen en las amebas, las destruyen y salen nadando para buscar una nueva ameba.
Fig. 4. A La bacterias X nada hacia las amebas. Las amebas son depredadoras naturales de las bacterias, pero la bacteria X es "indigesta" para las amebas y cuando ya está dentro es capaz de reproducirse y matar a la ameba para salir de nuevo al medio acuático nadando hacia nuevas amebas. B Hay algunas amebas que pueden tener a las bacterias X sin que éstas las maten. C Kwang Jeon cultivó estas amebas que tenían en su interior a bacterias X que vivían en su interior. D Al cabo de cierto tiempo, si trataba a estas amebas con un antibiótico que mataba a la bacteria X las amebas se morían. Se demostró así que la simbiosis era posible reproducirla en el laboratorio y ver el proceso en tiempo real.

En 1966 el microbiólogo Kwang Jeon realizó un experimento con comunidades de amebas que proporcionaron pruebas de la teoría endosimbiótica. A La bacteria X, lo mismo que Legionella pneumophila, son bacterias que se reproducen en las amebas, las destruyen y nadan buscando otra ameba en la que puedan replicarse. Legionella se puede crecer en un medio de laboratorio, igual que la bacteria X, lo que nos indica que a priori son bacterias de vida libre. Por eso podemos infectar una comunidad de amebas (protozoos unicelulares) con la bacteria X que va a ser fagocitada por la ameba y ésta será incapaz de digerirla por lo que la bacteria X se replicará en su interior B La bacteria X provoca que la mayoría de las amebas enfermen y mueran. Muy pocas amebas sobrevivirán C Habrá algunas amebas que sobrevivan a la epidemia teniendo a la bacteria X en su interior. D Si a estas amebas con bacteria X en su interior se les administra antibióticos provocan que la ameba se muera. De esta manera, Jeon provó que las amebas después de muchas generaciones portando bacterias X en su interior se volvían dependientes de éstas para sobrevivir. Fuente

Durante diez años, Jeon cuidó de estas amebas que llegaron a reproducirse y a vivir de manera similar a las amebas que no estaban infectados con la bacteria X. Durante este tiempo Jeon se dió cuenta que las primeras amebas infectadas tenían alrededor de 100.000 bacterias en su interior, pero al cabo de diez años el número de bacterias que vivían en el interior de estas amebas disminuían hasta 40.000. Es decir, la bacteria X había autorregulado su número para que las amebas pudiesen tener un comportamiento “sano”. En ese punto de la coevolución de las dos especies la relación entre ambas era tan fuerte que si se trataba a las amebas con penicilina, que sólo mata bacterias, las amebas al verse privadas de sus bacterias morían. La simbiosis había sido tan fuerte que si uno de los miembros de esa relación íntima moría el otro se moría con él.

En esta relación simbiótica de suma distinta de cero existe una frontera que delimita esta relación: no puede haber una disolución de la relación alcanzada. En este juego de suma distinta de cero en donde Ameba y bacteria X tienen cierta ganancia, no existen dos participantes independientes, porque si muere uno también se muere el otro. Bacteria X ha perdido su capacidad de vivir libremente, la ameba ha perdido la capacidad de vivir sin la bacteria X en su interior. Existe por tanto algún mecanismo tipo toxina-antitoxina que hace que su unión sea indivisible. Ese mecanismo crea una frontera entre lo propio, es decir, la unión bacteria-ameba, y el mundo.

Un neurotransmisor para gobernarlos a todos: lecciones de Toxoplasma

Los adolescentes que tienen adicción a internet o a los smartphones experimentaron un aumento en los niveles en la corteza cingulada anterior de un neurotransmisor llamado ácido gamma aminobutírico (GABA), que inhibe o ralentiza las señales cerebrales,

Toxoplasma es capaz de alterar los niveles de dopamina y GABA de los humanos. Recientemente se ha visto que controla la mente de los cachorros de hiena y los vuelve más agresivos e imprudentes frente a los leones, lo que favorece que el parásito infecte a los leones después de que estos maten a estos cachorros y, concomitantemente, beneficie a las hienas que se benefician de estas crías kamikazes que las protegen del ataque de los leones.

En 2013, un artículo publicado en Nature, demostraba que el olor a orina de gato resultaba muy atractivo para aquellos ratones parasitados por Toxoplasma gondii.

Uno de cada tres estamos infectados por T. gondii

T. gondii infecta al 30-50% de la población mundial. El hospedador primario son los felinos. Es ahí en donde el parásito tiene su ciclo sexual. En los demás mamíferos vive de manera asexual y los "fuerza a ser comidos" por un felino. En el caso humano es bastante improbable que seamos devorados por un felino. Menos aún los delfines o las ballenas que también se contaminan con T. gondii debido a los ooquistes procedentes de las heces de los gatos y que llegan al mar por los deshechos urbanos.

Toxoplasma (y Plasmodium spp) tiene un apicoplasto y no puede vivir sin él

El apicoplasto es un orgánulo presente en la célula de la mayoría de los protistas llamados Apicomplexa como Plasmodium, que es el causante de la malaria, o Toxoplasma. En el caso de Toxoplasma cada protozoo contiene un único apicoplasto. Estos orgánulos son homólogos a los cloroplastos de los dinoflagelados, pero han perdido la clorofila y carecen de la capacidad de fotosintetizar. Estos protozoos no pueden vivir sin ellos, mantienen una relación simbiótica.  El apicoplasto está rodeado por cuatro membranas. Contiene su propio genoma: una molécula circular de ADN con un tamaño de 35.000 pares de bases que codifica aproximadamente 30 proteínas, un conjunto completo de ARNt y otras moléculas de ARN. Es capaz de reparar, replicar, transcribir y traducir sus genes. Puesto que 30 proteínas no son suficientes para la operación del apicoplasto, necesita importar otras proteínas (unas 500) del citplasma, codificadas por el genoma nuclear. Contiene partículas que se supone proceden de ribosomas de ascendencia bacteriana. 

Los protistas apicomplexa, como Toxoplasma y Plasmodium son simbiontes con los apicoplastos y este complejo simbiótico que tiene un estilo de vida endoparásito, es decir, necesita de células de otros organismos, como somos los mamíferos, para vivir. T. gondii es capaz de alterar los neurotransmisores del mamífero e incluso alterar el comportamiento de grupo de los mismos. La matriuska genética en todo su esplendor
 Lim, L. & McFadden, G. (2010). «The evolution, metabolism and functions of the apicoplast». Philosophical Transactions of the Royal Society 365: 749-763. PMC 2817234. PMID 20124342. doi:10.1098/rstb.2009.0273.

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