Genética 101: LUCA, El Ancestro Común que Dio Origen a la Vida

En la última entrega de Genética 101 exploramos la Tierra primitiva y el fascinante origen de las primeras células. Hoy, cerraremos este viaje evolutivo para adentrarnos en un nuevo capítulo: el origen y la evolución de las células actuales. Bienvenido a Genética 101, donde analizaremos cómo surgieron las células eucariontes y procariontes, los dos pilares de la vida en la Tierra. 

La protocélula

La teoría que explica el origen de las células tiene su base en la química. Aunque parezca sorprendente, esta teoría establece que la vida surgió de materia inerte, gracias a variables y reacciones químicas. Para contextualizar, hagamos una síntesis rápida del último blog.

Los materiales más fundamentales para formar una célula ya existían en la Tierra, estos son los elementos naturales que conforman a los seres vivos (CHONPS):

C: Carbono 

H: Hidrógeno 

O: Oxígeno

N: Nitrógeno

P: Fósforo

S: Azufre

Estos elementos se combinan para formar biomoléculas. Por ejemplo:

• Azúcares y grasas: Carbono, Hidrógeno y Oxígeno (CHO).

• Proteínas: Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno y Azufre (CHONS).

• ADN y ARN: Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno y Fósforo (CHONP).

Pero ¿las biomoléculas pueden generarse espontáneamente? La respuesta es sí. Bajo ciertos parámetros fisicoquímicos las biomoléculas pueden formarse de manera espontánea. Los aminoácidos, con suficiente energía, como la de un rayo o la radiación del sol, pueden conformarse espontáneamente. Además, pueden unirse entre ellos para formar proteínas. Las grasas, que forman la membrana celular, también pueden formarse de manera espontánea cerca de calderas hidrotermales submarinas. Incluso el ARN, que es material genético, puede surgir de manera natural si los elementos se hidratan y deshidratan repetidamente sobre ciertas arcillas. 

Los elementos fundamentales de una célula pueden formarse espontáneamente, pero una célula requiere de organización. Según la teoría de evolución celular, hubo un tiempo en el que los mares arcaicos estuvieron repletos de proteínas, azúcares, ARN. Cuando las grasas se formaron cerca de calderas hidrotermales submarinas, crearon micelas (estructuras similares a burbujas) que, al atrapar ARN, azúcares y proteínas, formaron protocélulas. 

Las células tienen la capacidad de autorreplicarse, pero ¿puede este proceso pasar sin una célula completa? Sorprendentemente, sí. El ARN es capaz de autorreplicarse. Si no puede elongarse “crecer”, se dobla sobre sí mismo y adquiere funciones similares a las de una proteína, ayudando así a su autorreplicación. 

Se cree que las primeras protocélulas se basaban en el ARN, no en el ADN. Sin embargo, el ADN ofrece ciertas ventajas, como mayor protección contra radiación y mayor estabilidad en el agua. Por eso, con el tiempo, las células pasaron a usar el ADN como material genético principal.  

Los tres dominios de la vida

Todas las células se clasifican dentro de uno de los tres dominios de la vida. Para clasificarlas se analizan ciertas características, como el metabolismo, la estructura de la membrana celular o su material genético.

Bacteria 

• Sin núcleo celular: su ADN flota libremente en su interior. 

•  Sin organelos productores de energía: carecen de mitocondrias o cloroplastos.

• Membrana celular con enlaces tipo éster. 

• Son células procariotas. 

• Son de pequeño tamaño.

Eucaria

• Poseen núcleo celular, el cual resguarda el ADN.

• Poseen orgánulos productores de energía. Los hongos y animales tienen mitocondrias, mientras que las plantas tienen cloroplastos.

• Membrana celular con enlaces tipo éster.

• Células de mayor tamaño que una bacteria.

• Son células eucariotas.

Arquea 

• Sin núcleo celular: su ADN flota libremente en su interior, como el de las bacterias, pero su ADN es más similar al de una eucaria que al de una bacteria.

• Sin organelos productores de energía.

• Membrana celular con enlaces tipo éter; diferente a los otros dos dominios.

• Son procariontes 

• Son de tamaño pequeño, como las bacterias.

Los tres dominios de la vida son bacteria, arquea y eucaria.

Los tres dominios en el tiempo

¿Existieron realmente las protocélulas? Aunque no tenemos pruebas directas, encajan perfectamente con lo que sabemos sobre química, física y biología. Según la teoría celular, toda célula proviene de otra célula. La primera célula se llama LUCA (Last Universal Common Ancestor). Se cree que esta célula inició la vida como la conocemos. LUCA pudo haber sido una protocélula o una célula más parecida a las actuales, no lo sabemos con exactitud. Lo que comprendemos es que de LUCA debieron generarse los tres grandes dominios de la vida: bacteria, arquea y eucaria. 

La idea más intuitiva es que, a partir de LUCA, primero evolucionaron las bacterias, luego las arqueas y, finalmente, las eucariotas, siguiendo un camino de lo simple a lo complejo. Pero los datos evolutivos no respaldan esta visión lineal. Si retrocedemos a las protocélulas, es posible que en la Tierra primitiva hayan existido millones de protocélulas distintas. Al final, solo sobrevivieron las más estables. Esto nos lleva a dos grandes teorías: en la que existe LUCA y en la que no. 

La primera teoría sugiere que existió una única LUCA, una protocélulas que al estabilizarse, no encajaba en ningún dominio actual y de la cual surgieron las bacterias, las arqueas y las eucariotas. En cambio, la segunda teoría propone que no existe una sola LUCA, sino varios linajes celulares que evolucionaron de manera independiente. En este escenario, las bacterias y las arqueas surgieron de protocélulas distintas, lo que explicaría sus diferencias fundamentales en la composición de sus membranas y en su maquinaria genética. 

Pero ¿de dónde surge eucaria? Aquí es donde la segunda teoría se vuelve fascinante. Las eucariotas podrían ser el resultado de una fusión simbiótica entre una arquea y una bacteria, una idea respaldada por dos líneas de evidencia. ¡Suena de locos, pero te explicamos de qué va!

La primera pista proviene del filo Asgard, también conocido como Promethearchaeota, un grupo de arqueas cuyos genes y proteínas son sorprendentemente similares a los de las eucariotas. De hecho, se les considera nuestros primeros ancestros procariontes. La segunda pista es la teoría de la endosimbiosis, que propone que organelos como las mitocondrias (presentes en animales y hongos) y los cloroplastos (en plantas) fueron originalmente bacterias independientes que fueron incorporadas por una célula huésped, probablemente una arquea. Esto explicaría por qué las eucariotas comparten genes con ambos grupos: su ADN es más cercano al de las arqueas, pero sus organelos tienen un origen bacteriano.

Existe la teoría de que las arqueas y bacterias son dos linajes de células evolutivamente diferentes y de su relación simbiótica, nació eucaria. 

La teoría de la endosimbiosis

La teoría de la endosimbiosis propone que las mitocondrias y cloroplastos de las células eucariontes son de origen bacteriano. Es una historia de cooperación y mutuo beneficio que transformó la vida en la Tierra. En algún momento de la historia, una bacteria se introdujo dentro de una arquea del filo Asgard, encontrando en ella un nuevo hogar. Dentro de la arquea, la bacteria disfrutaba de protección y un flujo constante de nutrientes. ¡¿Qué más podía pedir una bacteria?! Las bacterias que se integraron a este sistema eran, probablemente, aerobias (que generan energía usando oxígeno) o fotosintéticas (que obtienen energía de la luz).

Una vez instaladas dentro de las arqueas Asgard, las bacterias continuaron con su función fundamental: producir energía. Aquí ocurrió algo extraordinario: los productos energéticos que generaban resultaron ser útiles para la arquea. Ambas células terminaron ganando: la bacteria obtenía seguridad, mientras que la arquea recibía energía gratuita. Con el tiempo, esta relación simbiótica evolucionó y las bacterias dentro de la arquea se transformaron en lo que hoy conocemos como mitocondrias y cloroplastos en las células eucariotas. 

Las mitocondrias no son células, por lo tanto, no son consideradas seres vivos. ¿Cómo pasó una bacteria de estar viva a no estarlo? A medida que la simbiosis se consolidaba, la bacteria perdió presión evolutiva para mantener todas sus funciones autónomas. Poco a poco, fue transfiriendo genes a la arquea huésped, delegando en ella tareas como la reproducción y la protección. Así, la bacteria se especializó únicamente en lo que mejor sabía hacer: producir energía. 

Este proceso de simplificación genética transformó a la bacteria en un organelo dependiente. Aunque las mitocondrias conservan su propio ADN y una maquinaria de replicación independiente, ya no pueden sobrevivir fuera de la célula. Su ADN y sus proteínas interactúan estrechamente con los de la célula eucariota, lo que demuestra su origen simbiótico. Por ejemplo, las mitocondrias aún sintetizan algunas de sus propias proteínas, pero dependen de la célula para completar su funcionamiento. 

La teoría de la endosimbiosis propone que bacterias aerobias y fotosintéticas se introdujeron en arqueas y con el tiempo, juntas evolucionaron hacia células eucariontes.

¿Dos en uno?

Puede parecer increíble pensar que hubo un tiempo donde dos células cohabitaron, y que una de ellas terminó por dejar de ser una célula independiente para convertirse en parte de otra. Aunque suena extraño, no es un proceso tan peculiar. En la naturaleza muchas bacterias y parásitos son intracelulares, es decir, dependen de habitar dentro otra célula para sobrevivir. Un ejemplo claro es el parásito de la malaria, que vive dentro de los glóbulos rojos, o la clamidia, una bacteria que solo puede reproducirse y sobrevivir en el interior de otras células. Sin embargo, en estos casos, hay un perdedor claro: la célula infectada, pero no te preocupes, hay ejemplos de verdadera simbiosis. 

Un caso fascinante es el de la medusa invertida, que alberga en su interior a los dinoflagelados, microorganismos fotosintéticos. Los dinoflagelados obtienen protección al vivir dentro de la medusa, mientras que esta recibe energía gracias a la fotosíntesis que realizan sus huéspedes. Otra simbiosis notable es la que existe entre la mosca tsetsé y la bacteria Wigglesworthia glossinidia: la bacteria produce vitamina B, que no se encuentra en la dieta de la mosca, pero es necesaria para su reproducción y a cambio puede vivir en el intestino de la mosca, adquiriendo nutrientes y protección. Incluso hay gusanos marinos que carecen de sistema digestivo y dependen por completo de bacterias que viven en su piel, las cuales proporcionan energía a cambio de un lugar donde vivir y alimentarse.  

Un ejemplo de simbiosis son las medusas invertidas, que tienen microorganismos fotosintéticos que les producen energía a cambio de protección.

No es tan descabellado pensar que, en algún momento de la historia evolutiva, la relación entre una arquea y una bacteria dio origen a las células eucariotas, y con ellas, a la vida compleja que conocemos hoy. La naturaleza está llena de alianzas que, aunque al principio puedan parecer improbables, terminan por redefinir la vida misma.

Esperamos que hayas disfrutado de este viaje evolutivo, lleno de preguntas fascinantes y conceptos que desafían nuestra comprensión de la vida. Ahora, nos encantaría saber: ¿qué teoría te parece más convincente? ¿Crees en la existencia de un único ancestro común (LUCA), o prefieres la idea de varios linajes celulares que evolucionaron de manera independiente? ¿Cuál de estas explicaciones tiene más sentido para ti?

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