Els orígens de la cèl·lula eucariota al plàncton primerenc

Tots estem formats per cèl·lules, aproximadament 30 bilions. Us heu preguntat mai sobre l’origen d’aquestes cèl·lules? Aquí en trobareu la història, o almenys una versió. Però espereu un segon, si aquest és un blog que parla sobre plàncton... llavors, quina relació hi ha entre les nostres cèl·lules i el plàncton? Doncs us sorprendrà saber la resposta: tots érem plàncton al començament dels temps, quan la vida tot just començava. Dit això, anem a fer un repàs de les cèl·lules del nostre cos i del seu origen. 

Les nostres cèl·lules es diuen eucariotes i són similars a les que es troben en plantes, altres animals i, fins i tot, en criatures diminutes com ara les microalgues, els fongs i els protozous. A l’interior, tenen un centre de control anomenat nucli, que allotja l’ADN de la cèl·lula, és a dir, el seu pla genètic. També tenen diversos altres miniòrgans anomenats orgànuls, cadascun amb una feina específica. Per exemple, els mitocondris són les centrals elèctriques de la cèl·lula, que generen energia, i els cloroplasts de les cèl·lules vegetals són com els panells solars, que capturen la llum solar per a la fotosíntesi. Les cèl·lules eucariotes tenen una xarxa de carreteres i parets internes que ajuden a organitzar i compartimentar tot el seu equipament.

Les cèl·lules procariotes, en canvi, es troben en bacteris i arquees, i són molt més senzilles. No tenen nucli, de manera que el seu ADN simplement flota lliurement dins de la cèl·lula. També els falten tots aquells orgànuls de luxe que trobaríeu en una cèl·lula eucariota. Tot el que necessiten per sobreviure (fabricar proteïnes, generar energia) passa en un espai obert. Per això, les cèl·lules procariotes són generalment més petites que les eucariotes.

© Imatge generada per IA amb instruccions d’Albert Calbet

Per tant, la diferència clau és la complexitat. Les cèl·lules eucariotes són com mansions de diverses habitacions amb compartiments i equips especialitzats, mentre que les cèl·lules procariotes són lofts més senzills, amb tots els elements essencials amuntegats en un espai obert.

Tanmateix, l’origen d’aquestes estructures intrínseques (orgànuls) continua sent un enigma captivador, especialment la seva emergència en el món antic del plàncton primerenc. En aquest article exploraré la teoria de l’endosimbiosi o teoria endosimbiòtica, que explica la fascinant història de com alguns orgànuls, per exemple els mitocondris i els cloroplasts, es van obrir pas en la història evolutiva d’aquests primers pioners marins.

La teoria endosimbiòtica, introduïda fa anys per la microbiòloga nord-americana Lynn Margulis, proposa una perspectiva revolucionària sobre l’origen de certs orgànuls. Postula que aquestes estructures no van sorgir a través d’una especialització espontània dins d’una sola cèl·lula, sinó més aviat a través de la fusió de destins entre dos organismes procariotes diferents. Aquesta teoria troba un fort suport en les característiques úniques dels mitocondris i els cloroplasts. Tots dos orgànuls posseeixen els seus propis genomes, separats del nucli de la cèl·lula hoste, amb una semblança sorprenent amb l’ADN dels bacteris actuals. A més, es reprodueixen independentment a través de la fissió binària, imitant un comportament característic dels bacteris de vida lliure.

Es creu que els mitocondris, les centrals energètiques de la cèl·lula, s’originaren a partir de proteobacteris engolits per una cèl·lula ancestral heteròtrofa (que consumeix matèria orgànica). Aquesta relació simbiòtica va establir una associació notable. El bacteri engolit va proporcionar un sistema eficient de producció d’energia a través de la respiració aeròbica, mentre que la cèl·lula hoste va oferir protecció i nutrients essencials. Al llarg d’innombrables generacions, aquesta unió simbiòtica va evolucionar cap a una integració permanent i va donar lloc al mitocondri com a orgànul indispensable. L’origen dels cloroplasts, els motors fotosintètics de les cèl·lules vegetals i de les algues, possiblement va seguir un camí similar. Probablement cianobacteris, bacteris fotosintètics de vida lliure, van ser engolits per una cèl·lula hoste eucariota, establint una relació mútuament beneficiosa. L’hoste va guanyar la capacitat de convertir la llum solar en energia a través de la fotosíntesi, mentre que els cianobacteris van rebre un refugi segur i recursos essencials. Això finalment va conduir a l’evolució del cloroplast, transformant la cèl·lula hoste en un autòtrof (que pot sintetitzar el seu propi aliment) i obrint el camí a la diversificació de llinatges fotosintètics dins del plàncton.

La teoria endosimbiòtica no només il·lumina l’origen d’aquests orgànuls clau, sinó que també ofereix informació valuosa sobre l’evolució de la vida primerenca a la Terra. L’emergència de cèl·lules eucariotes complexes, amb la seva organització compartimentada i capacitats metabòliques, probablement va jugar un paper fonamental en la Gran Oxidació, un període marcat per l’augment dels nivells d’oxigen a l’atmosfera. El plàncton fotosintètic, impulsat pels seus cloroplasts, va contribuir significativament a la producció d’oxigen, alterant fonamentalment la biosfera de la Terra i obrint el camí a la diversificació de formes de vida complexes.

La història de l’endosimbiosi s’estén més enllà de l’origen dels orgànuls. En el món microscòpic dels protists, aquesta estratègia fascinant es desplega una vegada més i revela associacions notables i, de vegades, fins i tot d’esclavitud. Aquestes associacions es presenten en diverses formes, cadascuna de les quals ofereix beneficis únics a l’hoste protista. Alguns protists s’associen amb bacteris fotosintètics o esclavitzen algues senceres o només els seus cloroplasts (mixòtrofs no constitutius) i obtenen la capacitat de crear el seu propi aliment a partir de la llum solar. D’altres s’associen amb bacteris fixadors de nitrogen i garanteixen d'aquesta manera un subministrament constant d’aquest element crucial per a la supervivència. El notable món de l’endosimbiosi s’estén, fins i tot, a les associacions amb microbis productors de metà, cosa que permet als protists aprofitar l’energia en ambients empobrits d’oxigen.

© Imatge generada per IA amb instruccions d’Albert Calbet

Els avenços recents en la seqüenciació del genoma revelen els intricats mecanismes subjacents a aquestes associacions. Aquests estudis també evidencien una diversitat sorprenent en la manera com es formen i funcionen aquestes col·laboracions i destaquen la notable capacitat d’adaptació i resiliència de la vida a la Terra. Una de ben particular és la dels virus. Aquestes entitats enigmàtiques, sovint percebudes com a únicament destructives, també han tingut un paper sorprenent en la història evolutiva. L’endosimbiosi viral presenta un gir fascinant en la narrativa tradicional. En aquest escenari, els gens virals s’integren al genoma de la cèl·lula hoste, potencialment proporcionant-li noves funcions o adaptacions. Aquest fenomen, tot i que menys estudiat en comparació amb l’endosimbiosi clàssica, ofereix possibilitats intrigants per entendre l’evolució de trets complexos i la interacció dinàmica entre diferents formes de vida. Per exemple, la teoria de l’eucariogènesi viral proposa que el nucli, el centre de control de les cèl·lules eucariotes, es va originar a partir d’un gran virus d’ADN, com el virus de la verola. Aquesta idea pot semblar estranya, però hi ha algunes proves que li donen suport. Per exemple, alguns virus grans, com el Mimivirus, comparteixen característiques amb els nuclis eucariotes, com ara que tenen el seu propi ADN i la capacitat de produir proteïnes. A més, alguns aspectes de la divisió cel·lular en eucariotes s’assemblen a la manera de replicar-se dels virus. No obstant això, aquesta teoria també és controvertida. Els crítics argumenten que l’evidència es pot interpretar d’altres maneres, i la idea que els virus estiguin involucrats en l’origen de la vida complexa desafia la nostra comprensió del que significa ser un organisme viu. Malgrat el debat, la hipòtesi de l’eucariogènesi viral continua sent explorada. Si és certa, canviaria completament la nostra comprensió de la història de la vida a la Terra, mostrant una connexió sorprenent entre les formes més simples i més complexes.

En conclusió, el nostre viatge a través del món de l’endosimbiosi ha revelat una varietat captivadora d’associació i col·laboració. Des dels orígens dels orgànuls clau en el plàncton primerenc fins a les associacions fascinants en els protists i la possible influència dels virus, aquesta història subratlla la notable creativitat i capacitat d’adaptació de la vida. A mesura que continuem endinsant-nos en el complex tapís de la vida, la història de l’endosimbiosi serveix com a recordatori poderós que la col·laboració, en les seves diverses formes, ha tingut un paper central en la configuració de la increïble diversitat i complexitat de la vida al nostre planeta.

Imatge de capçalera: © Imatge generada per IA amb instruccions d’Albert Calbet