sábado, 6 de octubre de 2018

Mensajes amables de fin de semana: dos pasos decisivos de la evolución pueden ser fruto de la colaboración entre bacterias......!!!estos bichitos merecerían el Nobel!!!



Estimad@s Clientes y/o amantes del LEAN:

La base de la química es el proceso mediante el cual unas sustancias se unen a otras. En la reacción, surgen sustancias diferentes
En las llamadas reacciones físicas, los átomos del antes y después de la reacción son los mismos
En las nucleares, los átomos cambian
La presencia de catalizadores incrementa la velocidad de la reacción

Buscando una similitud con estos hechos en la biología, si creemos en la teoría evolucionista de Lin Margulis, la Simbiogénesis, podríamos decir que unas cuantas bacterias, colaborando entre ellas, trabajando en equipo, produjeron dos pasos decisivos:            
-La capacidad de producir compuestos orgánicos, o sea alimento, a partir de inorgánicos, mucho más abundantes, sacando la energía del sol
-El paso de células bacterianas, sin núcleo, a otras nucleadas
  
Lynn Margulis fue una destacada bióloga estadounidense, considerada una de las principales figuras en el campo de la evolución biológica, respecto al origen de las células eucariotas.3 5 6 Licenciada en ciencias por la Universidad de Chicagomáster en la Universidad de Wisconsin-Madison y doctora por la Universidad de California en Berkeley
La teoría endosimbiótica seriada fue formulada por Margulis en 1967 y describe el paso de las células procariotas (células bacterianas, no nucleadas) a las células eucariotas (células nucleadas constituyentes de los procariontes y componentes de todos los pluricelulares) mediante incorporaciones simbiogenéticas.
Margulis describió este paso en una serie de tres incorporaciones simbiogenéticas mediante las cuales, por la unión simbiogenética de bacterias, se originaron las células eucariotas que conforman a los individuos de los otros cuatro reinos (protistasanimaleshongos y plantas).

Todavía la ciencia no conoce en profundidad los mecanismos mediante los cuales se produjeron estas reacciones biológicas, pero para mí me resulta extremadamente atractivo el hecho de que unas cuantas bacterias, “charlando” entre ellas, lograran ese salto evolutivo tan impresionante como fue el paso de las células sin núcleo a las células nucleadas

¿Cómo colaboraron esas bacterias, en la búsqueda de un bien común, o sea esos dos pasos clave de la historia de la humanidad?
¿Eran inteligentes o hubo algún catalizador que aceleró esos dos vitales saltos cuántico de la evolución?

En este instante de la reflexión, no puedo evitar recordar la imagen del mono, el primer hombre, blandiendo la primera herramienta, en esa mítica película de “2OO1 Una Odisea en el espacio”



Ver mi post :
Mensajes amables de fin de semana: En el estreno de Star Wars, un recuerdo para 2001 Una Odisea del espacio y su continuación 2010 Odisea 2

El resto de este post está dedicado a detallar lo más interesante que he encontrado en Internet sobre ambos temas, las reacciones químicas y la Simbiogénesis, a la que ya le dedique un post :
Mensajes amables de fin de semana: lo que nos enseñan unas cuantas bacterias sobre los logros del trabajo en Equipo

Hay un último apartado que habla de los diez pasos evolutivos más importantes que se han dado en la naturaleza desde que apareció la vida en la Tierra

El índice de este post sería:
  1. Las reacciones químicas
  2. Simbiogénesis vs Darwinismo clásico
  3. La simbiogénesis
  4. Los cloroplastos
  5. La fotosíntesis
  6. Los diez pasos evolutivos más relevantes

  1. Las reacciones químicas
Una reacción química es un proceso mediante el cual una o más sustancias (elementos o compuestos) denominadas reactivos, sufren una transformación para dar lugar a sustancias diferentes denominadas productos.



Proceso de combustión del metano.
Imagínese la combustión que se produce en los calentadores de agua domésticos de gas natural, cuyo componente principal es el metano. Cuando el gas sale por la válvula reacciona con dos moléculas de oxígeno (cada una de ellas con dos átomos) produciendo una molécula de dióxido de carbono y dos de agua, en fase vapordebido al calor desprendido.
La ecuación química que describe la reacción anterior es:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Como puede apreciarse, los átomos antes y después de la reacción son los mismos, habiéndose reorganizado en el proceso de forma diferente. De este modo, las reacciones químicas pueden distinguirse de:
  • las reacciones físicas, en las que las que los compuestos iniciales y finales son los mismos, como en los cambios de estado.
  • las reacciones nucleares en las que los átomos sufren alteraciones internas.
Del estudio de las proporciones en las que los reactivos se combinan para dar lugar a la formación de los productos se ocupa la estequiometría.

Energía
Las reacciones químicas conllevan generalmente la ruptura de los enlaces químicos de los reactivos y la formación de nuevos enlaces para obtener los productos. La ruptura de enlaces precisa generalmente la aportación de una cierta cantidad de energía, mientras que la formación de enlaces la libera; el resultado neto de dichos intercambios de energía puede ser positivo en cuyo caso la reacción es exotérmica (desprende calor) o negativo cuando la reacción es endotérmica (precisa la aportación de calor para producirse).
En algunos casos, para que la reacción comience, es necesaria la aportación de una cierta energía inicial que se denomina energía de activación, cuando ello no es necesario, y la reacción entre los productos comienza por sí sola a temperatura y presión ambientales, la reacción se denomina espontánea. Estos intercambios de calor son objeto de estudio de la termoquímica.




Volviendo a nuestro calentador de agua, como sabemos, para su encendido es necesario que provoquemos un chispa, de modo que la reacción no es espontánea, sino que inicialmente hemos de aportar una cierta energía en forma de calor. Sin embargo, una vez que se ha iniciado, la combustión se mantiene mientras siga saliendo gas. Ello se debe a que la reacción es exotérmica, de modo que parte de la energía liberada en la combustión de una molécula de metano es empleada en la activación de la combustión de la siguiente. La energía sobrante se desprende en forma de calor, elevando la temperatura del agua, y de luz, como puede apreciarse en el color azul de la llama (en realidad, ambas formas de energía son radiaciones, las primeras infrarrojas y las segundas visibles).
La energía neta absorbida o desprendida en la reacción se denomina entalpía de reacción(Δh) y se obtiene como diferencia entre las entalpías de los productos menos las de los reactivos. La ecuación termoquímica que describe la reacción es:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Δh (en reacciones exotérmicas Δh < 0)
Velocidad
En cuanto a la velocidad a la que se producen las reacciones químicas, es decir, la rapidez o lentitud a la que los reactivos reaccionan, es objeto de estudio de la cinética química. En aplicaciones industriales, en las que la velocidad de reacción es crítica para lograr obtener un producto en el mínimo tiempo posible es común el empleo de catalizadores, que son sustancias cuya presencia incrementa la velocidad de la reacción

  1. Simbiogénesis vs Darwinismo clásico
El vocabulario clásico del darwinismo habla de lucha, competencia como motor de la evolución de las especies y de mutaciones aleatorias del ADN como base de los saltos evolutivos
La simbiogénesis se basa en algo totalmente diferente: habla de cooperación entre organismos distintos, trabajando juntos para producir grandes saltos evolutivos, y, lo que es todavía más sorprendente, que el decisivo avance de la evolución ( la capacidad de producir compuestos orgánicos, o sea alimento, a partir de inorgánicos, mucho más abundantes, sacando la energía del sol ) se lo debemos a unas cuantas bacterias “trabajando en equipo”

  1. La Simbiogénesis  
La teoría de la simbiogénesis resulta revolucionaria y atractiva por muchos motivos, entre otros porque coloca la cooperación entre organismos distintos en el centro del proceso evolutivo. Para quienes han estudiado la evolución en la enseñanza secundaria, la palabra que siempre aparece al referirse al darwinismo es la de "lucha", y si no "competencia"; en parte se debe a los términos elegidos para exponer las versiones más simplistas de la teoría de la evolución. Quizás la resistencia a la teoría de la simbiogénesis tiene que ver con la necesidad de un cambio de vocabulario.

(Mujeres en Biología: Lynn Margulis. Universidad de Zaragoza)


Lynn Margulis fue una destacada bióloga estadounidense, considerada una de las principales figuras en el campo de la evolución biológica, respecto al origen de las células eucariotas.3 5 6 Licenciada en ciencias por la Universidad de Chicagomáster en la Universidad de Wisconsin-Madison y doctora por la Universidad de California en Berkeley,7 fue miembro de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos desde 1983 y de la Academia Rusa de las Ciencias. En 2008 recibió la Medalla Darwin-Wallace. En 2011 fue nombrada profesora distinguida del Departamento de Geociencias de la Universidad de Massachusetts Amherst.8

En 1883, el biólogo alemán Andreas Schimper propuso que la capacidad fotosintética de las células vegetales podía proceder de cianobacterias aun presentes en la naturaleza y con iguales capacidades.
A principios del siglo XX, en 1909, el ruso Kostantin S. Mereschovky presentó la hipótesis según la cual el origen de los cloroplastos tendría su origen en procesos simbióticos.2728 29 Merezhkovsky llegó a proponer que el núcleo de las células eucariotas tuvo su origen en una bacteria

Endosimbosis seriada
La teoría endosimbiótica seriada fue formulada por Margulis en 1967 y describe el paso de las células procariotas (células bacterianas, no nucleadas) a las células eucariotas (células nucleadas constituyentes de los procariontes y componentes de todos los pluricelulares) mediante incorporaciones simbiogenéticas.
Margulis describió este paso en una serie de tres incorporaciones simbiogenéticas mediante las cuales, por la unión simbiogenética de bacterias, se originaron las células eucariotas que conforman a los individuos de los otros cuatro reinos (protistasanimaleshongos y plantas).
Esta teoría, contestada en el momento de su formulación, hoy se considera probada en sus tres cuartas partes (se aceptan como integrantes de la nueva célula tres de los cuatro simbiontes propuestos por Margulis).34

Teoría simbiogénetica
En la formulación de la teoría simbiogénetica, Margulis consideró además que, al igual que las eucariotas surgieron como consecuencia de la interacción simbiogenetica de varias procariotas (bacterias), muchas de las características de los organismos y su especiación serían también el resultado de parecidas interacciones simbigenéticas en las cuales se produjo una transferencia genética horizontal; defendiendo que la simbiogénesis sería la principal fuente de novedad biológica. Esta teoría contradice abiertamente la actual teoría de la síntesis evolutiva moderna, actualmente aceptada como válida por la comunidad científica para explicar la evolución de la vida. Margulis objetó que la novedad biológica se debiera principalmente a errores (mutaciones aleatorias) en la replicación de ADN
En una chatarrería se encuentran todos los fragmentos y las piezas de un Boeing 747, sueltos y desordenados. Ocurre que un tifón se abate sobre la chatarrería. ¿Cuál es la probabilidad de que después encontremos un 747 totalmente ensamblado y listo para volar? Es tan pequeña que resulta despreciable, incluso en el caso de que el tifón soplara en tantas chatarrerías que llenasen por completo el Universo.
(Fred Hoyle, El universo inteligente.)

  1. Los cloroplastos






Los cloroplatos son orgánulos generalmente grandes (1 a 10 micras) que están presentes en las células de las plantas. Una célula de una hoja puede tener de 20 a 100 cloroplastos. Su forma es variable, desde esférica o elíptica a mucho más compleja. Los cloroplastos forman parte de un conjunto de orgánulos denominados platidios o plastos. Los plastidios poseen en su interior ADN, el cual ha mantenido unos 250 genes derivados de su ancestro bacteriano, los cuales codifican para ARN ribosómico, ARN de transferencia y para ARN mensajero. Este último se traducirá en proteínas para la división, y para la realización de la fotosíntesis en el caso de los cloroplastos

NOTA CLAVE:
Ahí andan, dentro de los cloroplastos, unos 250 genes que vienen de nuestros ancestros, unas cuantas bacterias trabajando juntas

  1. La fotosíntesis
La principal misión de los cloroplastos es la conversión de la energía electromagnética de la luz en energía de enlaces químicos gracias principalmente a la clorofila, a la ATP sintasa y a la ribulosa bifosfato carboxilasa/oxigenasa (RUBISCO). La fotosíntesis consta de dos partes: una fase luminosa en la que se transforma la energía luminosa en un gradiente de protones, que se utilizará para la síntesis ATP y para la producción de NADPH, y una fase oscura (no necesita directamente a la luz, pero sí los productos generados en la fase luminosa de la fotosíntesis) en la que se produce la fijación del CO2 en forma de azúcares fosfatados con tres átomos de carbono. Esta reacción es llevada a cabo por la RUBISCO. La primera fase de la fotosíntesis ocurre en la membrana del tilacoide y la segunda en el estroma.




Esquema resumido de las moléculas que participan en la fase luminosa de la fotosíntesis. Todas están asociadas a la membrana de los tilacoides. Los protones se bombean al interior del tilacoide, mientras que el ATP y NADPH quedan en el estroma del cloroplasto. La rotura del agua contribuye al gradiente de protones al liberar 4 protones en el interior del tilacoide.


Brevemente podemos describir la fotosíntesis con los siguientes pasos:
a) El complejo del fotosistema II rompe 2 moléculas de agua produciendo 1 molécula de O2 y 4 protonesEsta reacción libera 4 electrones que al llegar, por una serie de pasos, hasta las clorofilas localizadas en este complejo, desplazan a otros electrones que habían sido previamente excitados por la luz y liberados desde el fotosistema II.
b) Estos electrones liberados pasan a una plastoquinona que los cederá al citocromo b6/f, el cual, con la energía de los electrones captados, introduce 4 protones en el interior del tilacoide.
c) El complejo citocromo b6/f cede entonces los electrones a una plastocianina, y ésta al complejo fotosistema I, que gracias a la energía de la luz que captan sus clorofilas eleva de nuevo la energía de los electrones. Asociada a este complejo está la ferredoxina-NADP+ reductasa, la cual convierte NADP+ en NADPH, que queda en el estroma. Los protones incorporados en el interior del tilacoide y los del estroma forman un gradiente capaz de producir ATP gracias a la ATP sintasa, cuyo centro catalítico está orientado hacia el estroma. Tanto el NADPH como el ATP serán utilizados en el ciclo de Calvin, que es una ruta metabólica en la que se fija el CO2 por la RUBISCO, la cual produce moléculas de fosfoglicerato a partir ribulosa 1,5-bifosfato y de CO2
 Cloroplastos

  1. Los diez pasos evolutivos más relevantes

La evolución de las especies a lo largo de su historia ha permitido la aparición de cualidades impresionantes a los seres vivos. En este post me gustaría repasar los que creo son los 10 cambios más relevantes que han ocurrido en la historia de la vida en la Tierra desde que aparecieron los primeros seres vivos. Evidentemente estos pasos fueron todos muy graduales y es difícil acotarlos en “un paso”. La lista está ordenada por orden cronológico de aparición partiendo de los primeros seres replicantes cuyas características concretas sólo podemos especular actualmente:

1-La fidelidad en la copia del DNA
Una bacteria actual comete un error en la copia del DNA cada 10E10 generaciones aproximadamente. Este ratio entre mutaciones y fidelidad permite adaptaciones pero limitando acumular grandes errores rápidamente que acabarían con la especie. La principal artífice de esta maravilla evolutiva se llama DNA polimerasa que por si sola es capaz de copiar fielmente varios miles de bases de DNA  antes de cometer un error. Las versiones más avanzadas y que aparecieron más tarde en la evolución de los eucariotas tienen además mecanismos de revisión para minimizar los errores cometidos. Su necesidad para la vida es tal que no existen seres vivos que carezcan de este mecanismo. Sólo algunos virus como el HIV que a cambio utilizan la perfecta maquinaria celular.



                                                                   Flagelo bacteriano


De esperar a que la comida llegue, a ir a p0r ella. Este uno de los cambios principales cambios que supuso el flagelo. Aunque anteriormente las bacterias desarrollaron pequeños filamentos (cilios) que permitían cierto movimiento lo cierto es que estás estaban totalmente sometidas a las fuerzas que gobiernan el movimiento browniano: Imaginad que estáis dentro de una piscina llena de canicas que se propulsan a toda velocidad en todas direcciones. El flagelo suponía además una mejora en la capacidad de colonizar nuevos y lejanos ambientes o de escapar de circunstanrcias adversas. Puedes ver un vídeo sobre la evolución del flagelo aquí donde se postula su aparición a partir de un organulo destinado a la sujeción.

2-El fotorreceptor
Y se hizo la luz. La capacidad de reconocer la luz suponía inicialmente acceso a alimento (la síntesis de muchos compuestos orgánicos es catalizada por la luz) y una guía para el movimiento (define arriba y abajo). Sin embargo este pequeño avance sembraría la semilla para dos futuros mecanismos de gran relevancia: la fotosíntesis y la visión. Los fotorreceptores se basan en pigmentos capaces de excitarse con la luz y de transmitir dicho estado excitado a alguna proteína.

3-La fotosíntesis
¿Quién necesita comida cuando puedes fabricarla? Este es quizás el salto evolutivo más impresionante: la capacidad de producir compuestos orgánicos a partir de inorgánicos, mucho más abundantes. Estas reacciones requieren de gran energía que los seres vivos obtienen del calor, degradación de otros compuestos orgánicos/ inorgánicos o de la luz. Podéis leer algo más sobre la fotosíntesis en este otro post que escribí. La fotosíntesis no podría ser posible sin los fotorreceptores que además probablemente coevolucionaron con la mejora del flagelo. Ninguno de estos “castillos de naipes” habria aguantado sin la fidelidad en la copia del DNA.

4-El ciclo de Krebs y la respiración oxidativa
La fotosíntesis trajo consigo  una nueva época de problemas u oportunidades según se mire. El principal deshecho de la fotosíntesis es el oxígeno. Una molécula que ahora nos parece inocua pero que cuando apareció era como vivir en un mar de arsénico. El oxígeno tiene la capacidad de oxidar el DNA y las proteínas e interfería en muchas de las reacciones necesarias para las bacterias de la época. La aparición del oxígeno atmosférico probablemente fue un proceso rápido que acabo de un plumazo con la mayoría de las especies. Algunas especies (entre ellas las productoras de oxígeno) desarrollaron mecanismos para inactivar el oxígeno, entre estos mecanismos encontramos la utilización de electrones y protones que reaccionan con el oxígeno produciendo agua. Curiosamente se pueden obtener electrones como productos de deshecho del metabolismo de compuestos orgánicos. La sofisticación del metabolismo de los azucares en el denominado ciclo de Krebs junto a un complejo sistema de transporte de electrones permitió aprovechar al máximo la energía de los compuestos orgánicos.

5-La célula eucariota
La complejidad de la aparición de la vida es el único hecho comparable a la aparición de la célula eucariota. Se ha especulado que los eucariotas provienen de la simbiosis de varios tipos bacterianos, hipótesis que cobra fuerza con los análisis genéticos. En cualquier caso la aparición de células con núcleo definido y orgánulos es una gran caja negra. Uno de los procesos evolutivos más interesantes que nos quedan por descifrar. El gran avance de la célula eucariota puede describirse con algo tan simple como la compartimentalización. Cada cosa en su rincón. Muchas de las reacciones químicas celulares requieren un ambiente muy específico incompatible con otras reacciones.

6-La especialización celular
El hijo favorito. Una célula se divide en dos pero no deja lo mismo en cada célula hija: una contiene más deshechos que otra, diferente concentración de proteínas o le falta algún componente. Estos podrían haber sido los antecedentes de la especialización celular. Ocurre actualmente en bacterias, levaduras o algunas algas unicelulares  y que en algunos casos viven en colonias, donde algunos individuos se especializan en ciertas funciones en función de su localización dentro de la colonia. La especialización supone una mayor eficiencia. De allí hasta células como las neuronas o los glóbulos blancos quedaría aun un buen trecho.

7-La reproducción sexual
¡Qué sería de nosotros sin el sexo! Se ha sugerido que la reproducción sexual permite una rápida adaptación de las especies al eliminar rápidamente las mutaciones perniciosas y esparcir las beneficiosas.  Su aparición podría estar relacionada con virus y otros parasitos o bien como un resultado colateral de la estrategia de duplicar el genoma para reducir los efectos de las mutaciones. En cualquier caso los seres vivos con reproducción sexual se han diversificado y adquirido una complejidad que ningún ser asexual puede superar.

8-El desarrollo embrionario




“Nada de lo que te ocurra en la vida te marcará tanto como la gastrulación“. Las instrucciones para formar un cuerpo de forma progresiva y ordenada supusieron el salto entre un mundo de medusas y gusanos al actual. Instrucciones que se encuentran agrupadas en bloques o paquetes genéticos que permiten gran adaptabilidad. Un paso a destacar en el desarrollo embrionario es la gastrulación, que consiste en la invaginación de una capa de células del embrión. Así, a primera vista no parece tan importante pero su aparición supuso la especialización en 3D, como ocurre en la mayoría de animales como nosotros frente a la especialización en  2D que ocurre en los gusanos.

9-El sistema nervioso y el cerebro
Mucho antes de la aparición del sistema nervioso las células se comunicaban solamente mediante contactos con su célula vecina y la emisión de señales, como hormonas. En mi opinión el salto no está tanto en la formación de una red para hacer llegar las señales más rápido sino en una centralización de las señales, que a largo plazo supondría la aparición del cerebro. El estudio de las redes neuronales ha avanzado considerablemente en los últimos años gracias a los estudios en varios animales modelo, especialmente en el gusano C. elegans, del que conocemos la red que forman sus 302 neuronas.

10-La percepción del individuo
Hasta hace unos pocos años se creía que sólo los primates superiores teníamos esta capacidad. Sin embargo varios estudios demuestran que otros mamíferos como el elefante o el delfín, e incluso aves como la urraca poseen dicha habilidad. Se ha especulado que esta capacidad es la precursora de la aparición de lo que llamamos el yo y del pensamiento racional. Si bien este último merecería una escala entera por sí mismo.


Como siempre, he incluido estas reflexiones en mi blog “Historias del LEAN”:


Que disfrutéis cada hora del fin de semana
Un cordial saludo
Alvaro Ballesteros

















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