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La Célula, Diversidad Celular

Las células, llevan a cabo los procesos que tienen lugar en los organismos vivos. Las células, además, adoptan formas, tamaños y expresan gran cantidad de genes diferentes, dando origen a una gran diversidad.

Incluso a pesar de que el material genético de dos células de un mismo organismo es idéntico, las células pueden llevar a cabo múltiples funciones e implicar grandes consecuencias.

Los eritrocitos o glóbulos rojos, son un grupo muy especializado de células. Representan alrededor del 45% de todas las células de la sangre, y son las encargadas de transportar oxígeno desde los pulmones, donde se produce el intercambio gaseoso, hasta todos los otros tejidos del organismo. Para cumplir esta tan importante función, los eritrocitos presentan diversas modificaciones en su morfología. Una de las modificaciones más importantes, es que los eritrocitos no presentan núcleo. Al no tener núcleo no pueden sintetizar nuevas proteínas, por lo que la vida de los eritrocitos está bastante limitada, alrededor de 120 días.

Las neuronas son otro grupo hiper especializado de células, que se encuentran exclusivamente en el sistema nervioso. En gran parte son las responsables de transformar los estímulos externos, es decir, los estímulos del ambiente, en señales eléctricas que luego son interpretadas por el cerebro y traducidas a cambios tanto en la fisiología como en el comportamiento.

¿Cómo son capaces las neuronas de generar impulsos eléctricos? Esto es gracias al intercambio de iones, principalmente sodio y potasio, entre el interior y el exterior de la neurona.

Este intercambio genera una diferencia en las concentraciones de estos iones entre el interior de la neurona y el medio extracelular; y debido a que los iones presentan una carga eléctrica, la diferencia de concentraciones entre el interior y el exterior se traduce en una diferencia de cargas eléctricas. A esto se le llama un gradiente electroquímico. Cuando este gradiente es lo suficientemente grande, se genera en la neurona un Potencial de Acción.  

El potencial de acción generado en una neurona es propagado de neurona en neurona a través de la sinapsis, un acercamiento entre dos neuronas que permite la comunicación entre ellas. La comunicación mediante sinapsis entre muchas neuronas es lo que genera las llamadas redes neuronales. Según las más recientes estimaciones, existen aproximadamente 120 mil millones de neuronas en un cerebro humano adulto. Cada una de estas neuronas puede tener sinapsis con otras 10.000 neuronas. Con estos números, la complejidad de interacciones que se puede dar entre neuronas es gigantesca.

Debido al pequeño tamaño que tienen las neuronas, en la escala de micrómetros, dificulta su estudio. Es por esto que una de las neuronas más estudiadas fue la neurona de las jibias. ¿Qué las hace tan especiales? Los axones de estas neuronas, es decir, la parte de la célula donde se propaga el impulso nervioso, alcanza el tamaño de un fideo. Esto hace sumamente fácil su manipulación para la investigación.

La abundancia de este animal en el mar chileno, permitió que durante décadas los descubrimientos más importantes de la neurobiología mundial tuvieron lugar en el laboratorio de Montemar de la Universidad de Chile, en Viña del Mar. Parte importante de lo que conocemos acerca de cómo funcionan los impulsos nerviosos; que transmiten las sensaciones, recuerdos o pensamientos, fueron hechos en este lugar gracias al axón gigante de jibia.

Un organismo vivo puede estar conformado por millones o una única célula. Los organismos unicelulares, es decir, aquellos organismos que comprenden una única célula, pueden resultar de gran importancia y de insospechado impacto. Por ejemplo, cuando se trata de microorganismos patógenos, que causan enfermedades, o como en el caso de la marea roja u otras algas nocivas;  su presencia pueden tener importantes consecuencias.

Entre abril y mayo de 2016 un florecimiento nocivo  de Alexandrium (un alga dinoflagelada), se extendió desde el mar de Chiloé al Océano Pacífico por cerca de 400 kilómetros, causando la muerte masiva de aves marinas y moluscos. Esto tuvo importantes consecuencias económicas y sociales en la región afectada. 

Otro microorganismo marino que puede llegar a tener consecuencias fatales, es el Vibrio parahaemolyticus, que a diferencia de Alexandrium, Vibrio es una bacteria. Causante de cuadros de diarrea aguda, recientemente se ha detectado que su incidencia ha aumentado en frecuencia y en expansión, en particular en la X región, donde se produce el 90% de los mariscos que se consumen en Chile.

Se ha detectado que los varamientos masivos de algunos cetáceos como el que tuvo lugar en Aysén en 2015, donde se hallaron más de 300 ballenas varadas, pudieron ser causados por florecimientos masivos de algas nocivas.

El registro fósil como el de Cerro Ballena, en la región de Atacama, demuestran que este no es sólo un fenómeno reciente, sino que ha ocurrido reiteradamente en el pasado, desde a lo menos 8 millones de años.

¿entonces cómo las células pueden ser tan diferentes? ¿cómo pueden transmitir un impulso eléctrico? ¿o comportarse como un patógeno, siendo letales e incluso una amenaza para otros  organismos?

Todas las células almacenan la información necesaria para generar todos los procesos y partes que las componen, en una macromolécula, el ácido desoxirribonucleico, conocido como ADN. Esta molécula codifica la información mediante la alternancia de sus cuatro nucleótidos (Adenina, Citocina, Timina y Guanina), que se ensamblan bajo reglas específicas (Adenina se une a Timina, y Citosina a Guanina). Como un código, la secuencia de los nucleótidos es leída por una maquinaria proteica que transcribe, en otra molécula de gran importancia, el ácido ribonucleico, o ARN. Los nucleótidos son traducidos, En grupo de a tres, que llamamos codones, a la secuencia de aminoácidos que conforman las proteínas. Los aminoacidos al igual que bloques de construcción LEGO, ensamblan la proteína, otorgandole las propiedades con las cuales las proteínas llevan a cabo prácticamente todas las funciones de la célula.

Referencias: 

Rutecki, P.A.1992. Neuronal excitability: voltage dependent currents and synaptic transmission. JCNP, 9(2): 192-211

The Great Squid Hunt. 2008. Nature 454: 934-936

Borges, R., Viveros, O.H., Latorre, R. 2006. Save the Lab in Montemar, Chile. Science 311:1866

Rojas, E., Luxoro, M. 1963. Micro-injection of Trypsin into Axons of Squid. Nature 199:78-79

Tasaki, I., Luxoro, M. 1964. Intracellular Perfusion of Chilean Giant Squid Axons.  Science 145:1313-1315

Tasaki, I., Luxoro, M., Ruarte, A. 1965. Electrophysiological Studies of Chilean Squid Axons under Internal Perfusion with Sodium-Rich Media.  Science 150:809-901

Cabello, F.C., Godfried, H.P. 2016. Florecimientos de algas nocivas (FANs), ecosistemas marinos y la salud humana en la Patagonia Chilena. Rev Chilena Infectol. 33 (5): 559-560

Hernández G, C., Ulloa P., J., Vergara O., J.A., Espejo T., R., Cabello C., F. 2005. Infecciones por Vibrio parahaemolyticus e intoxicaciones por algas: problemas emergentes de salud pública en Chile. Rev Méd Chile 133: 1081-1088

Häussermann, V., Gutstein, C. S., Bedington, M., Cassis, D., Olavarria, C. , Dale, A.C., Valenzuela-Toro, A.M., Perez-Alvarez, M.J., Sepúlveda H.H., McConnell, K.M., Horwitz F.E., Försterra G.  2017. Largest baleen whale mass mortality during strong El Niño event is likely related to harmful toxic algal bloom PeerJ 5:e3123 https://doi.org/10.7717/peerj.3123

http://news.nationalgeographic.com/2015/11/151120-worlds-largest-whale-stranding-sei-chile-animals/

http://www.bbc.com/mundo/noticias/2016/05/160503_chile_marea_roja_catastrofe_alerta_sanitaria_ab

http://cerroballena.si.edu

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La Célula, Teoría Celular

Todos los organismos vivos, presentan una gran variedad de formas. Diversas en tamaño, comportamiento y apariencia, viviendo en diferentes hábitats por todo el planeta. Es difícil creer, a primera vista, que todas puedan tener algo en común.

Durante siglos un sinnúmero de científicos ha trabajado en reconocer, clasificar y describir esta diversidad, descubriendo así los procesos que definen la función, forma y el comportamiento de los organismos vivos. La Biología es el estudio de la vida.

Plantas, hongos y animales, que son la mayoría de los organismos que podemos fácilmente reconocer, con los cuales estamos más familiarizados y dentro de los cuales nos reconocemos, comprenden un grupo particular que llamamos Eucariontes.

De este grupo, se han identificado, 1.2 millones de especies diferentes. Sin embargo, se calcula que aún más del 91% de las especies de los ambientes marinos y el 86% de las de ambientes terrestres permanecen sin ser conocidas. Considerando las especies de plantas, hongos y animales que restan por conocer, el número total de Eucariontes podría llegar a 8.7 millones de especies.  

Los procariontes, por otra parte, con sus dos grandes grupos: Arquea y Eubacteria, suman en total más de mil millones de especies. Los organismos que a nuestra escala consideramos microscópicos, realmente comprenden la mayor parte de la vida.

Si bien una estrella de mar, un árbol y un ser humano son distintos, llamamos a estos organismos ‘vivos’, a diferencia de una roca u otro objeto que consideramos ‘no vivo’. ¿Cuál es la característica en común de todos los organismos, que les permite organizarse de tal forma que los reconocemos como seres vivos?.

La Célula. Es la unidad que forma parte de todos los seres vivos, es el lugar en donde empiezan todos los procesos. De hecho un organismo vivo puede estar conformado por una célula o por millones, pero, todos los organismos vivos de nuestro planeta, estar formados por células.

El cuerpo humano, por ejemplo, incluye 10 billones de células. Además de otros 10 billones de células adicionales de bacterias que viven en el cuerpo humano, lo cual elevan el número total de células en una persona al doble. Estos 10 billones de células se dividen en 210 tipos celulares diferentes, vinculados a todas las funciones vitales. Desde transportar el oxígeno que permite la respiración, la absorción de nutrientes en el intestino delgado, hasta la arquitectura de nuestro sistema nervioso que permite la generación de los pensamientos y emociones.

¿Qué tan grande es una célula?, básicamente las células vienen en una gran variedad de tamaños, aunque una célula es el menor tamaño que un ser vivo puede tener, en su mayoría son lo suficientemente pequeñas para que no puedan ser vistas al ojo desnudo.

La bacteria de mayor tamaño Thiomargarita namibiensis, fue descubierta en 1999, y llega a alcanzar un tercio de milímetro, es decir, 100 veces más grande que los mayores procariontes, pudiendo ser visible al ojo desnudo. Otro dato interesante: cuenta con su propio sello postal en Namibia.

Pero, aparte de algunas excepciones como la antes mencionada, la mayoría de las células son microscópicas y solo fueron observables desde la invención de los instrumentos necesarios.

Para entender mejor esto, primero tenemos que hablar de las unidades de medida. Al igual que en distancias y medidas a escala macroscópica, existen unidades para referirnos a los procesos y relaciones celulares e intercelulares.

Si un metro lo dividimos 1000 veces, obtenemos 1 milímetro, una hormiga mide 8 milímetros y un grano de arroz mide 5 milímetros.

Cada milímetro puede también ser dividido en 1000 partes iguales, a cada una de estas partes le llamamos micrómetros, y las identificamos con el símbolo µm. Esta unidad nos permite medir escalas como la longitud de onda de la luz infrarroja que corresponde a 15 micrómetros. Mientas el tamaño de  Thiomargarita, la bacteria de mayor tamaño que ya conocimos, mide 300 micrómetros.

Cada micrómetro puede también ser dividido en 1000 partes iguales. Cada uno de estas partes sería un nanómetro. Los nanómetros los identificamos con el símbolo nm. El virus del VIH, que no es más que una cápside proteica y un poco de material genético, mide 90 nanómetros. La longitud de onda de la luz ultravioleta, mide, por su parte, 60 nanómetros.

Si un nanómetro, es ahora dividido en 1000 partes iguales, cada una de esas partes sería un picómetro. Para identificar los picómetros usamos el símbolo pm.

Un metro es igual a un billón de picómetros.

Esta medida hace referencia a escalas tan pequeñas que los diámetros atómicos van de 25 picómetros en el Helio a 500 picómetros en el Cesio. Es decir, el átomo más grande que se conoce, mide la mitad de la mil millonésima parte de un metro.

El reconocimiento de las células como parte fundamental de los seres vivos y la formulación de los principios para su estudio, sólo fue posible, junto con el desarrollo de los instrumentos que permitieron su observación.

Desde Aristóteles hubo intriga por definir cuál era la característica que otorgaba la propiedad de “vivo” o “no vivo”. Diferentes ideas desde la antigüedad al medioevo, postulaban que la vida, era una propiedad transferible, un “soplo de vida” que podía convertir a los objetos inanimados en vivos.

El desarrollo del microscopio, permitió por primera vez, observar la estructura celular. Fue Robert Hooke el primero que observó celdillas repetitivas en el corcho, a las que llamó “células”, acuñando por primera vez el término. Hooke, además, era un reconocido rival de Newton.

Pero Hooke sólo observó las paredes celulares de células vegetales. No fue hasta que el italiano Marcelo Malpighi, quien llegase a ser médico del papa Inocencio XII, fuera el primero en observar células vivas.

Con el desarrollo de microscopios cada vez más potentes, los descubrimientos de la diversidad celular se hicieron más frecuentes. Destacaron las contribuciones del holandés Anton van Leeuwenhoek, quien incluso ha sido homenajeado con un cráter en la luna que lleva su nombre. Leeuwenhoek, observó los primeros protozoos, espermatozoides de humanos, ovejas, perros y un sin número de otros tipos células.

Posteriormente, los fisiólogos alemanes Theodor Schwann y Jakob Schleiden, fueron los primeros en presentar una “Teoría Celular”, es decir,  una serie de principios que reunían las bases del conocimiento que se había logrado en los primeros años de observar células bajo los precarios microscopios de esa época.

Estos principios, por primera vez desde Aristóteles, lograron separar que era lo vivo de lo no vivo. En su primer principio, la Teoría Celular de Schwann y Schleiden, señala “todos los organismos están formados por células”, esto quiere decir que si definimos las propiedades y relaciones de las células entonces podremos definir las características de los organismos vivos; y que los procesos que tienen lugar en una célula tienen lugar de similar manera en las otras. Esto va de la mano con el segundo principio “La célula es la unidad básica de organización de todo organismo”.

Rudolf Virchow, el padre de la patología, que además lideró expediciones antropológicas a Egipto y Troya, fue quien planteó el tercer principio: “toda célula proviene de otra célula”.

Los principios de la Teoría Celular otorgaron un marco teórico nuevo para la Biología. Las antiguas teorías de soplos divinos, humores causantes de enfermedades, y la generación espontánea de la vida, fueron reemplazadas por la idea moderna de la Biología en donde el estudio de las células es fundamental para entender todos los procesos biológicos y plantean la idea del origen común de todos los organismos, la cual finalmente, derivaría en nuestra comprensión actual del origen y la diversidad biológica.

Referencias:

Mora et al., 2011. How Many Species Are There on Earth and in the Ocean? PLoS Biol 9(8): e1001127. 

Dykhuize, D. 2005. Species Number in Bacteria. Proc Calif Acad Sci. 56(6 Suppl 1): 62-71. 

Sender, R. et al., 2016. Are We Really Vastly Outnumbered? Revisiting the Ratio of Bacterial to Host Cells in Humans. Cell 164.

Valentine, J. W. et al., 1994. Morphological Complexity Increase in Metazoans. Paleobiology 20(2): 131-142.

Schulz, H.N., et al., 1999. Dense Populations of a Giant Sulfur Bacterium in Namibian Shelf Sediments. Nature 284: 493-495.