Subtema 1.5 El origen de las células Idea fundamental: Se ha mantenido una cadena vital ininterrumpida desde las primeras células que se desarrollaron.

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1 Subtema 1.5 El origen de las células Idea fundamental: Se ha mantenido una cadena vital ininterrumpida desde las primeras células que se desarrollaron en la Tierra hasta la totalidad de células de los organismos actualmente vivos Tema 1. Biología celular Programa del Diploma del Bachillerato Internacional. Biología. Primera evaluación: 2016 Aureliano Fernández IES Martínez Montañés (Sevilla)

2 T01.5El origen de las células ➢➢➢➢ ➢ Naturaleza de las ciencias Puesta a prueba los principios generales que subyacen al mundo natural: debe verificarse el principio de que las células solo proceden de células preexistentes. (1.9) Comprensión El origen de las células eucarióticas puede explicarse por medio de la teoría endosimbiótica. Las primeras células deben haber surgido de materia no viva. Las células solo pueden formarse por división de células preexistentes. Aplicaciones Pruebas de los experimentos de Pasteur de que la generación espontánea de células y organismos no tiene lugar actualmente en la Tierra. Teoría del conocimiento La biología es el estudio de la vida, pesar de ser esta una propiedad emergente. ¿En qué circunstancias resulta productivo un enfoque sistémico de la biología y en qué circunstancias resulta más apropiado un enfoque reduccionista? ¿Cómo eligen los científicos entre enfoques contrapuestos? ➢ ➢ ➢

3 1. La división celular y el origen de las células Las células solo pueden formarse por división de células preexistentes. Uno de los puntos de la teoría celular es: “Toda célula procede por división de una célula anterior”. Estudiando embriones de pollos, el científico Robert Remak descubrió la división celular bajo el microscopio. En 1858, después de muchos años de dudas, su idea fue plagiada y popularizada por su colega alemán, Rudolf Virchow: “Omnis cellula ex cellula” (“Todas las células proceden de otras células”) http://es.wikipedia.org/wiki/Robert_Remak http://es.wikipedia.org/wiki/Virchow Rudolf Virchow (1821-1902) Robert Remak (1815-1865) http://www.vietnamen.org/bio/?tag=haploid

4 La importancia de denominar las cosas correctamente: la creación de vida sintética o artificial. El 20 de mayo de 2010 la revista Science publica una noticia histórica: Craig Venter (fundador de la empresa Celera Genomics) y su equipo lograron crear una célula bacteriana con el genoma sintético o artificial. Para ello crearon un genoma totalmente artificial en un laboratorio. En concreto, los investigadores fabricaron en una máquina de su laboratorio todo el genoma de la bacteria Mycoplasma mycoides basándose en una copia del de la bacteria original. Después de fabricar el genoma artificial, vaciaron una célula de otra especie de bacteria del mismo género, Mycoplasma capricolum, y lo introdujeron en esta célula recipiente. A partir de ese momento la bacteria huésped, sólo expresaba las proteínas de la bacteria sintetizada y sus características eran las que confería el genoma sintético fabricado en el laboratorio, por lo que se convertía en una especie diferente: una célula sintética. Algunos investigadores, si bien destacan el logro científico, no coinciden que se pueda hablar de una forma de vida artificial, ya que la bacteria en que se insertó el ADN sintético era completamente natural. http://es.wikipedia.org/wiki/Craig_Venter http://goo.gl/vz47qg Algunos afirmaron que se había creado una célula sintética autorreplicante cuyo padre era un ordenador. Se hace un mal uso de la palabra "padre“ y se debe emplear un lenguaje más preciso. Lo que se logró hacer fue sintetizar un genoma más grande que cualquier otro sintetizado antes e insertarlo en una célula preexistente.

5 2. La generación espontánea y el origen de las células. Puesta a prueba los principios generales que subyacen al mundo natural: debe verificarse el principio de que las células solo proceden de células preexistentes. A lo largo de los siglos XVII y XIX aún persistía la idea de la generación espontánea de la vida: los insectos se formaban a partir de las hojas cubiertas con rocío, del pelo de los animales o de las heces; los gusanos se generaban en la carne putrefacta; las ratas y otros insectos del polvo y la suciedad; las ranas y anguilas del agua; etc. http://goo.gl/V6sRG0 http://goo.gl/hMotZz

6 A partir del siglo XVII diversos biólogos realizaron experimentos para poner a prueba la teoría de que la vida podía surgir de la materia no viviente. Francesco Redi (1664) demostró que los gusanos sólo se desarrollaban en la carne podrida si se permitía que las moscas entraran en contacto con ella. Lazzaro Spallanzani (1769) hierve sopa en ocho contenedores, selló cuatro de ellos y dejó los otros abiertos al aire. Los organismos crecieron únicamente en los contenedores que habían sido dejados abiertos pero no en los otros. Realiza el experimento de Redi: http://goo.gl/BTVVhs

7 3. La generación espontánea y los experimentos de Pasteur. Pruebas de los experimentos de Pasteur de que la generación espontánea de células y organismos no tiene lugar actualmente en la Tierra. El más famoso de los experimentos de Pasteur implicó el uso de frascos de cuello de cisne a los que agrega un caldo nutritivo. Pasteur hierve el caldo en uno de los frascos para matar cualquier organismo presente pero dejó sin hervir otro como control. Pronto aparecieron en los matraces sin hervir hongos y otros organismos, pero no en los hervidos, incluso después de un largo período de tiempo. El caldo en los matraces estaba en contacto con el aire, tal como se había sugerido que era necesario para la generación espontánea, sin embargo, ésta no se producía. Realiza el experimento de Pasteur: http://goo.gl/BTVVhs http://goo.gl/BTVVhs Pasteur rompió el cuello de uno de los frascos y rápidamente los organismos aparecían y descomponían el caldo. Publicó sus resultados en 1860 y, posteriormente los repitió con otros líquidos, incluyendo orina y leche, con los mismos resultados. Llegó a la conclusión de que los cuellos de cisne impedían a los organismos entrar en el caldo y que ningún organismo se genera espontáneamente. Sus experimentos convencieron a la mayoría de los biólogos, tanto en el momento de su publicación como desde entonces.

8 Aparte de la evidencia de los experimentos de Pasteur y otros, hay otras razones para los biólogos universalmente aceptar que las células sólo provienen de células preexistentes: Una célula es una estructura muy compleja y ningún mecanismo natural ha sido sugerido para la producción de células a partir de subunidades más simples. No se conoce ningún ejemplo de aumento en el número de células en una población, organismo o tejido sin que se produzca división celular. Los virus se producen a partir de subunidades más simples, pero no consisten en células, y sólo se pueden producir dentro de las células huésped que haya infectado. http://goo.gl/Yl7Ll7 Impidiendo la entrada de partículas de aire al caldo nutritivo, se detenía el crecimiento de microbios en el caldo. Dejándolo abierto se permitía el crecimiento de los microbios. Nos parece obvio, pero fue un paso de gigante para la biología celular. http://goo.gl/XASfQd

9 http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/scientificmethod.html http://phschool.com/atschool/phsciexp/active_art/redi_pasteur_experim ent/index.html Visualiza los experimentos de Redi y Pasteur

10 4. Origen de las primeras células. Las primeras células deben haber surgido de materia no viva. Si rastreamos hacia atrás los ancestros de las células a través de miles de millones de años, tenemos que llegar finalmente a las primeras células que hayan existido. Estas fueron los primeros seres vivos en la Tierra; a menos que las células llegaran a la Tierra desde otro lugar del universo (teoría de la panspermia), deben haber surgido a partir de material no viviente. Esta es una conclusión lógica, pero nos lleva tal vez a la pregunta más difícil de responder para los biólogos: ¿cómo puede una estructura tan compleja como la célula haber surgido de forma natural a partir de la materia no viviente? En ocasiones se ha argumentado que las estructuras complejas no pueden surgir por evolución, pero hay pruebas de que esto puede ocurrir si transcurren largos períodos de tiempo. Las células vivas han evolucionado a lo largo de cientos de millones de años. Y hay diversas hipótesis de cómo han podido originarse y evolucionar en varias fases: 1. Producción de compuestos de carbono tales como azúcares y aminoácidos. Stanley Miller y Harold Urey en 1952 mezclaron en un sistema cerrado vapor de agua con una mezcla caliente de metano, hidrógeno y amoniaco. Se piensa que dicha mezcla es representativa de la atmósfera terrestre primitiva (atmósfera reductora sin presencia de oxígeno). Se utilizan descargas eléctricas para simular los rayos de las tormentas. Encontraron que se producían aminoácidos y otros compuestos de carbono necesarios para la vida. http://goo.gl/IuXdEK

11 Experimento de Miller-Urey Vapor de agua Toma de muestras para análisis Agua calentada (“océano primitivo”) Fuente de calor Chispas de descarga de los electrodos (simulando relámpagos) Mezcla de atmósfera reductora (H 2 O, N 2, NH 3, CO 2, CO, CH 4, H 2 ) Condensador Agua fría Líquido condensado con moléculas complejas Pequeñas moléculas orgánicas incluyendo aminoácidos Muchos ciclos en una semana Imagen tomada de Raven, Biology, McGrawHill

12 2. Ensamblaje de compuestos de carbono en polímeros. Un posible lugar para el origen de los primeros compuestos de carbono es en el entorno de las fumarolas o chimeneas negras presentes en las profundas aguas de las dorsales oceánicas. Estas son las grietas en la superficie del océano por donde estos se expanden. Se caracterizan porque por ellas brotan aguas hidrotermales calientes que transportan productos químicos inorgánicos reducidos tales como sulfuro de hierro. Estos productos químicos representan fuentes de energía fácilmente accesibles que proporcionarían la energía necesaria para el montaje de los primitivos compuestos de carbono en polímeros. 3. Formación de membranas Si se formaron fosfolípidos u otros compuestos de carbono anfipáticos entre los primeros compuestos de carbono, estos se habrían ensamblado de forma natural en bicapas. Los experimentos han demostrado que estas bicapas forman fácilmente vesículas o liposomas parecidos a la membrana plasmática de una célula pequeña. Esto habría permitido un desarrollo químico interna diferente al medio. Chimeneas o fumarolas negras emisoras de vapor de agua y minerales como el sulfuro de hierro Liposomas http://goo.gl/pKC613 Nanopartículas carbonadas que se orientan y polimerizan espontáneamente ante campos eléctricos

13 4. Desarrollo de un mecanismo de herencia. Los organismos vivos en la actualidad tienen los genes hechos de ADN y utilizan enzimas como catalizadores. Para replicar el ADN y ser capaz de pasar los genes a la descendencia, se necesitan enzimas. Sin embargo, para que los enzimas se sinteticen, se necesitan genes. La solución a este dilema pudo haber sido una fase inicial en la evolución en la que el ARN fue el material genético. El ARN puede almacenar información de la misma manera que el ADN pero además de autorreplicarse puede actuar también como catalizador. La hipótesis del mundo de ARN propone que el ARN fue la primera forma de vida en la Tierra, desarrollando posteriormente una membrana celular a su alrededor y convirtiéndose así en la primera célula procariota. Cuanto más aprendemos sobre la historia temprana de la Tierra, más probable parece ser que los primeros organismos de la Tierra surgieron y vivían a temperaturas muy altas. Escombros del sistema solar comenzaron a chocar y a formar la Tierra primitiva hace aproximadamente 4.600 millones de años, manteniendo la superficie del planeta fundida y caliente. A medida que el bombardeo se fue ralentizando, las temperaturas descendieron. Hace 3.800 millones de años, se cree que las temperaturas del océano habrían caído hasta 49 ° a 88 ° C (120 ° a 190 ° F). Entre 3.800-3.500 millones de años, la vida apareció por primera vez, inmediatamente después de que la Tierra fuera habitable.

14 5. Endosimbiosis y células eucariotas. El origen de las células eucarióticas puede explicarse por medio de la teoría endosimbiótica. La teoría de la endosimbiosis ayuda a explicar la evolución de las células eucariotas. Afirma que las mitocondrias fueron antes organismos procariotas de vida libre que habían desarrollado el proceso de la respiración celular aeróbica (con oxígeno). Procariotas más grandes que sólo podía respirar anaeróbicamente (en ausencia de oxígeno) los incorporaron a su citoplasma permaneciendo vivos y replicándose. Tras cientos de millones de años de evolución y de relación simbiótica favorable para ambos se convirtieron en las actuales mitocondrias de las células eucariotas. La célula más pequeña habría sido suministrado los alimentos a la más grande. La célula más pequeña habría llevado a cabo la respiración aeróbica para suministrar energía de manera más eficiente a la célula grande. Por lo tanto, la selección natural favoreció a las células que habían desarrollado esta relación endosimbiótica. La teoría endosimbiótica también explica el origen de los cloroplastos. Un procariota que había desarrollado el mecanismo de la fotosíntesis fue recogido por una célula más grande lo cual le permitió sobrevivir, crecer y dividirse, beneficiándose ambas. Este podría haber sido el origen de las células eucariotas fotosintéticas. http://goo.gl/b3RR4 http://www.sumanasinc.com/webcontent/anim ations/content/organelles.html

15 Imágenes de Biology Course Companion 2014, OUP Aunque ya no son capaces de vivir de forma independiente, los cloroplastos y las mitocondrias tienen una serie de características que sugieren que evolucionaron a partir de procariotas independientes: Tienen sus propios genes, en una molécula de ADN circular como el de los procariotas. Tienen sus propios ribosomas 70S, un tamaño y forma típicas de algunos procariotas. Transcriben su ADN y el utilizan ARN mensajero para sintetizar algunas proteínas propias. Sólo pueden ser producidos por la división de mitocondrias y cloroplastos pre-existentes. Procariota ancestral original núcleo Evolución del núcleo y otras estructuras por plegamiento de la membrana plasmática Evolución de la fotosíntesis respiración aeróbica Evolución de la Evolución de cromosomas lineales, mitosis y meiosis Las mitocondrias se producen por endocitosis Los cloroplastos se producen por endocitosis Evolución de la célula animales Evolución de la célula vegetal Célula animal (eucariota) Célula vegetal (eucariota)

16 http://learn.genetics.utah.edu/content/begin/cells/organelles/ Al principio había diversos tipos de bacterias La mayoría de los sistemas de membranas incluyendo el núcleo, RER y Aparato de Golgi se originaron probablemente mediante pliegues de la membrana plasmática Las mitocondrias y los cloroplastos se originaron a partir de bacterias que vivían en simbiosis en el interior de células más grandes Las modernas células animales y vegetales contienen numerosos compartimentos para las diferentes actividades celulares Bacteria con respiración aeróbica Bacteria fotosintética

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