Células dentro de células una hipótesis extraordinaria con evidencias extraordinarias.

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Células dentro de células: una hipótesis extraordinaria con evidencias extraordinarias ¿Sabes que hay más bacterias viviendo en nuestros intestinos de que células en nuestro cuerpo? Este puede ser un pensamiento perturbador, pero sin la flora intestinal, tendríamos dificultad para digerir a muchos cereales, a frutas y verduras; tendríamos más alergias y un sistema inmunitario más débil, sin hablar de las infecciones por bacterias perjudiciales que podríamos contraer si nuestros intestinos no estuviesen ocupados por especies bacterianas amigables. Los biólogos piensan que tenemos una relación aún más próxima — y más antigua — con las bacterias de lo que inicialmente se había pensado. No sólo ellas viven en nosotros, sino que también tenemos a los descendientes de bacterias antiguas viviendo dentro de nuestras células. No sólo somos el hábitat de las bacterias y, en un sentido bastante real, ¡nosotros somos bacterias!. ¿Cómo los científicos llegaron a aceptar esta idea sorprendente? Aproximadamente en el año 1960, una joven microbióloga, llamada Lynn Margulis, (Fig.1) revivió una hipótesis antigua. Basada en un nuevo análisis de evidencia proveniente de los campos de la biología celular, bioquímica y paleontología, ella propuso que ocurrieron varias transiciones fundamentales de la evolución, no a través de competencia y especiación, sino que a través de cooperación, cuando se unieron distintos linajes celulares y se transformaron en un único organismo (Fig.2). Para los colegas de Margulis, esta idea parecía loca — era como sugerir que las pirámides habían sido construidas por seres extraterrestres — pero Margulis defendió su trabajo a pesar de esta resistencia inicial. Ella inspiró a científicos, de campos lejanos a la biología, a testear su hipótesis en los laboratorios. A medida que más y más evidencias se fueron acumulando en las décadas siguientes a la publicación de su primer artículo, hasta algunos de los críticos más fervientes tuvieron que admitir que ella estaba correcta. Es probable que algunas de las ideas que manejaba Margulis pudiesen haberle sido presentadas como "hechos" en los libros de biología, pero probablemente no sabía cuán controversiales eran estas ideas cuando fueron inicialmente propuestas. Vamos a conocer mejor esta historia de una hipótesis extraordinaria — y de la evidencia extraordinaria que la apoya. Este caso de estudio resalta los siguientes aspectos sobre la naturaleza de la ciencia: • La ciencia puede testear hipótesis sobre eventos que ocurrieron hace mucho tempo. • Las ideas científicas son testeadas con varias líneas de evidencia. • La ciencia es un emprendimiento que se realiza en comunidad, que se beneficia de un conjunto amplio y diverso de perspectivas, de prácticas y de tecnologías.

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Células  dentro  de  células:  una  hipótesis  extraordinaria  con  evidencias  extraordinarias  

¿Sabes que hay más bacterias viviendo en nuestros intestinos de que células en

nuestro cuerpo? Este puede ser un pensamiento perturbador, pero sin la flora intestinal, tendríamos dificultad para digerir a muchos cereales, a frutas y verduras; tendríamos más alergias y un sistema inmunitario más débil, sin hablar de las infecciones por bacterias perjudiciales que podríamos contraer si nuestros intestinos no estuviesen ocupados por especies bacterianas amigables.

Los biólogos piensan que tenemos una relación aún más próxima — y más

antigua — con las bacterias de lo que inicialmente se había pensado. No sólo ellas viven en nosotros, sino que también tenemos a los descendientes de bacterias antiguas viviendo dentro de nuestras células. No sólo somos el hábitat de las bacterias y, en un sentido bastante real, ¡nosotros somos bacterias!.

¿Cómo los científicos llegaron a aceptar esta idea sorprendente? Aproximadamente en el año 1960, una joven microbióloga, llamada Lynn Margulis, (Fig.1) revivió una hipótesis antigua. Basada en un nuevo análisis de evidencia proveniente de los campos de la biología celular, bioquímica y paleontología, ella propuso que ocurrieron varias transiciones fundamentales de la evolución, no a través de competencia y especiación, sino que a través de cooperación, cuando se unieron distintos linajes celulares y se transformaron en un único organismo (Fig.2). Para los colegas de Margulis, esta idea parecía loca — era como sugerir que las pirámides habían sido construidas por seres extraterrestres — pero Margulis defendió su trabajo a pesar de esta resistencia inicial. Ella inspiró a científicos, de campos lejanos a la biología, a testear su hipótesis en los laboratorios. A medida que más y más evidencias se fueron acumulando en las décadas siguientes a la

publicación de su primer artículo, hasta algunos de los críticos más fervientes tuvieron que admitir que ella estaba correcta.

Es probable que algunas de las ideas que

manejaba Margulis pudiesen haberle sido presentadas como "hechos" en los libros de biología, pero probablemente no sabía cuán controversiales eran estas ideas cuando fueron inicialmente propuestas. Vamos a conocer mejor esta historia de una hipótesis extraordinaria — y de la evidencia extraordinaria que la apoya.

Este caso de estudio resalta los siguientes aspectos sobre la naturaleza de la ciencia:

• La ciencia puede testear hipótesis sobre eventos que ocurrieron hace mucho tempo.

• Las ideas científicas son testeadas con varias líneas de evidencia. • La ciencia es un emprendimiento que se realiza en comunidad, que se beneficia

de un conjunto amplio y diverso de perspectivas, de prácticas y de tecnologías.

• Las ideas científicas evolucionan con la nueva evidencia, sin embargo, las ideas científicas bien apoyadas no son ideas inestables.

• A través de un sistema de control y de equilibrio, el proceso de la ciencia puede ultrapasar tendencias y preconceptos individuales.

• La evidencia es el árbitro más importante en la decisión sobre qué ideas científicas son aceptadas.

El mundo visto al microscopio Cuando, en 1953, Lynn Margulis ingresó a la Universidad de Chicago ella había planeado formarse en escritora. Al frecuentar una cátedra de ciencia obligatoria, desarrolló una pasión por la biología. En esta cátedra, los alumnos leían los originales de trabajos de grandes científicos en vez de un libro de texto. Las experiencias clásicas de Gregor Mendel con las plantas de arvejas cautivaron a Margulis. Era el inicio de una fascinación por la genética y por la herencia que duró toda su vida.

Ella decidió estudiar estos dos temas en su magister,

cursado en la Universidad de Wisconsin. Fue ahí que vio por primera vez a las amebas al microscopio, observando el modo de digerir a los alimentos y el modo de reproducción, dividiéndose en dos. Notó, en primer lugar, que la ameba cambiaba su forma de gota a una esfera casi perfecta. Después, el núcleo, la estructura que contiene el material genético, se dividía en dos. En seguida, toda la célula iniciaba la división, tal como lo muestra la figura a la izquierda,

separándose en dos células, cada una con un núcleo y con todas las estructuras celulares que necesita para vivir como una ameba adulta.

  En esa misma época, Margulis notó el comportamiento extrañamente independiente de las mitocondrias, las estructuras celulares que abastecen de energía, descomponiendo las moléculas de los alimentos. A pesar de que las mitocondrias solo son parte de la célula, parecían reproducirse de la misma manera que las amebas — ¡dividiéndose en dos!. (Fig. 4). Como las mitocondrias tienen un tamaño y una

forma semejante a algunos tipos de bacterias y las bacterias también se reproducen dividiéndose en dos, Margulis no pudo dejar de pensar en la manera en que se comportaba esta estructura celular u organelo: “como si fuera una bacteria independiente”.

Regreso  al  futuro  Las observaciones de Margulis no eran novedad en la ciencia; muchos

investigadores antes que ella habían visto al microscopio semejanzas sorprendentes entre mitocondrias y bacterias.

Margulis supo por un profesor que uno de estos investigadores, en los años

1880, ya había formulado una hipótesis que explicaba la razón por la cual las mitocondrias y las bacterias eran tan semejantes. Esta fue la primera vez que Margulis oyó hablar sobre la hipótesis "loca" que iría a moldear su carrera y a revolucionar la forma en que los científicos comprenden el modo de evolución de las células complejas.

¿QUE SON PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS? Los procariotas (Fig.5) son organismos relativamente simples. Son pequeños y su DNA

es circular y se encuentra libre en el interior de las células. Todas las bacterias y arqueas son células procariotas.

Las células eucariotas (Fig.5) son más complejas. Son más grandes y su DNA está organizado en cromosomas lineales, en el interior del núcleo. Las células eucariotas tienen algunos organelos que las células procariotas no tienen — como mitocondrias. Todas las plantas, hongos y animales (incluidos a los humanos!), así como varios seres unicelulares, como las amebas, están constituidos por células eucariotas.

¿En que consistía esa idea "loca"? El profesor de Margulis explicó que a lo largo de los últimos 80 años, algunos científicos propusieron que las células eucariotas habían evolucionado cuando una bacteria (un procariota) envolvió a otra y las dos comenzaron a vivir juntas. A lo largo de muchas generaciones y a través de muchas y pequeñas alteraciones, las células engullidas evolucionaron y se transformaron en organelos, como las mitocondrias. De acuerdo con esta idea, las mitocondrias se parecen y actúan como bacterias porque ¡ya fueron bacterias!

Esta relación ecológica es llamada endosimbiosis . "Endo" y "simbiosis" vienen del griego y significan, respetivamente, "dentro" y "vivir junto" — endosimbiosis significa, entonces, un organismo que vive dentro de otro. En la época de Margulis, los científicos ya sabían que muchos organismos tenían endosimbiontes — como las termitas, que dependen de los microorganismos en sus intestinos para digerir la madera (Fig.6)— pero nadie pensó que esta relación podía evolucionar para tornarse tan próxima a tal punto de que los dos se transformasen en un único organismo.

Cada vez que la

hipótesis endosimbiótica era propuesta, la mayor parte de la comunidad científica la consideraba demasiado rebuscada. ¿Dos organismos diferentes juntándose para formar un único individuo? ¡Ridículo! ¡Eso nunca habría resultado!

Para Margulis, la idea no parecía "loca"; pero, como estudiante de doctorado, no tenía mucho tiempo para reflexionar en el asunto. Ella estaba muy ocupada pensando en genética y trabajando en su investigación de doctorado en la Universidad de Berkeley. Sin embargo, como veremos, su investigación y observaciones que hizo sobre otro organelo, el cloroplasto, la llevaría de vuelta a esta idea extraña.

Una  idea  antigua  consigue  un    nueva  mirada  

La investigación de Margulis siguió las huellas de uno de los científicos que la habían inspirado para convertirse en bióloga. Con las arvejas, Gregor Mendel (Fig. 7) había mostrado que la genética era previsible; si sabemos cuales son los genes de los progenitores, podemos prever cuales genes tendrán probablemente sus descendentes. La investigación posterior explicó el por qué: los genes están localizados en el DNA y el DNA sigue reglas rígidas cuando es copiado y pasado a los descendentes. Sin embargo, en este tiempo, los científicos estaban descubriendo más y más casos de herencia que quebraban las reglas de Mendel. ¿Como era posible? Margulis decidió intentar descubrirlo.

Margulis, así como muchos otros científicos, sospechaba que las células podrían

tener DNA en compartimentos fuera del núcleo y que este DNA podría no seguir las reglas de herencia del DNA nuclear. Margulis inició su investigación con Euglena, un eucariota unicelular. Ella descubrió que Euglena tenía DNA no solo en el núcleo, sino

también en el interior de los cloroplastos. ¿Por qué estaría allí este DNA? ¿Sería ese DNA el responsable de las características que aparentemente quebraban las reglas de Mendel?

Mientras consideraba estas preguntas, Margulis

recordó la hipótesis endosimbiótica. Ella sabía que los cloroplastos (Fig.8) se reproducen dividiéndose en dos, como lo hacen las bacterias y como las mitocondrias, que ella había observado. Y, ahora, tenía la certeza de que también los

cloroplastos tenían su propio DNA . Súbitamente, quedó cautivada con otra pregunta: Si los cloroplastos contenían su propio DNA y se reproducían dividiéndose en dos, ¿sería posible que estos organelos pudiesen haber sido, anteriormente, bacterias libres?

Margulis comenzó a explorar esta idea en serio. No llevó a cabo ninguna nueva investigación, más allá de la que había realizado anteriormente sobre el DNA de los cloroplastos; pero siguió leyendo sobre las investigaciones de otros científicos para conocer las evidencias más actuales y que fueran relevantes para su hipótesis. Descubrió que muchos científicos habían hecho observaciones que tendrían mucho sentido si las células eucariotas hubiesen evolucionado por endosimbiosis .

Antes de examinar las evidencias que presentó, vamos conocer la nueva versión,

expandida, de la hipótesis antigua

Cómo  muchos    llegaron  a  ser  uno  solo  

OXÍGENO:  UN  CUCHILLO  DE  DOS  FILOS  Normalmente, pensamos en el oxígeno como una molécula esencial para la vida y, para los seres que evolucionaron para utilizarlo, lo es. Pero, parte de lo que torna al oxígeno tan crítico para la vida, también lo torna peligroso. El oxígeno puede generar radicales libres — átomos y moléculas con un electrón extra, que los hace extremamente reactivos. Muchas de estas reacciones son perjudiciales, causando mutaciones y otras formas de daño celular. Para los organismos que no desarrollaron la capacidad de prevenir y reparar estos daños, el oxígeno puede ser tóxico.

El oxígeno envenenó a muchas bacterias, pero otras desarrollaron la capacidad de utilizarlo. A lo largo de muchas generaciones, algunas de estas bacterias se volvieron dependientes del oxígeno para degradar a los alimentos. Margulis propuso que estas bacterias pasaron por varios episodios de endosimbiosis (Fig. 9):

• Primero, algunas bacterias ameboideas ingirieron a algunas de las bacterias que conseguían utilizar el oxígeno (aeróbicas) para degradar a los alimentos. Finalmente, evolucionaron para vivir en conjunto con las bacterias aeróbicas instaladas permanentemente dentro de las bacterias ameboideas. Con sus residentes aeróbicos en su interior, las bacterias ameboideas prosperaron en el ambiente rico de oxígeno. Estos organismos fueron los antepasados de todos los eucariotas, mientras que las bacterias que ingirieron se transformaron en las mitocondrias.  

• Después, estos primeros eucariotas ingirieron a otro

tipo de bacterias, más largas y en forma de espiral. Con el tiempo, ellas también evolucionaron para vivir juntas y de forma permanente, con la bacteria en forma de espiral viviendo al lado de las mitocondrias dentro de la célula huésped. Estos microorganismos fueron los antepasados de todas las células animales y las bacterias espirales originaron varias estructuras importantes, como cilios y flagelos, que permiten la locomoción de las células animales.

• Finalmente, algunas de estas células animales

ingirieron a otras bacterias — las que ya habían adquirido la capacidad de hacer fotosíntesis — y también estas evolucionaron para vivir juntas y de forma permanente. Estas células fueron los antepasados de las plantas. Las bacterias fototróficas engullidas se transformaron en las estructuras llamadas plastidios — por ejemplo, el cloroplasto — que permiten a las plantas realizar fotosíntesis.

Si Margulis estuviese correcta, la endosimbiosis

habría sucedido varias veces (Fig. 10) y ¡Habría

desempeñado un rol muy importante en la evolución de la vida en la tierra!.  

Obstáculos  hasta  la  aceptación  

Margulis sabia que hipótesis semejantes sobre la endosimbiosis ya habían sido propuestas por otros científicos, que habían sido ridiculizados por eso. ¿Por qué esta idea nunca había sido aceptada? En ciencia, las ideas pueden ser rechazadas por muchas razones diferentes — y la mayoría se aplica en el caso de esta hipótesis:

1.  Falta  de  evidencia  Los científicos se esfuerzan por investigar todos los aspectos de la evidencia,

incluyendo los que parecen ser obvios. Esto significa que para que una idea científica sea aceptada, tiene que ser más que plausible; tiene que ser testeada y apoyada repetidamente por varias líneas de evidencia. Anteriormente, los científicos ya habían intentado testear la hipótesis endosimbiótica, pero no disponían de la tecnología necesaria para planear un test verdaderamente adecuado para la idea — por eso, simplemente, no había evidencia suficientemente fuerte para apoyar la idea (Fig.11). Sí, las mitocondrias se parecen mucho a las bacterias, pero esto no era suficiente para convencer a los científicos de que estas estructuras ya habían sido bacterias .

2.  Inconsistencia  con  una    teoría    aceptada  Muchos científicos estaban escépticos de la hipótesis endosimbiótica porque

esta no parecía encajar en la teoría de la evolución como era comprendida en ese tiempo (Fig. 12). Entre 1900 y 1950, los biólogos hicieron muchos descubrimientos en el campo de la genética, al concentrarse en alteraciones pequeñas y aleatorias del DNA — las mutaciones — que ocurren cuando una célula se reproduce. Estos "errores" genéticos eran claramente un mecanismo importante de la evolución y muchos biólogos aceptaban que toda la evolución había ocurrido como resultado de la acumulación de muchas y pequeñas mutaciones a lo largo del tiempo. Sin embargo, la nueva hipótesis proponía grandes avances evolutivos a través de la simbiosis — en vez de cambios lentos y constantes causados por mutaciones mínimas. La hipótesis endosimbiótica parecía, al principio, no ajustarse con lo que los científicos de la época comprendían sobre el modo de funcionamiento de la evolución.

3.  Parsimonia  En igualdad de condiciones, es más probable que los científicos acepten ideas

más simples o parsimoniosas, en vez de ideas más complejas. Y aceptar esta nueva idea habría transformado a la teoría de la evolución más compleja. En vez de proponer un mecanismo principal (la acumulación de pequeñas mutaciones a lo largo del tiempo ), la teoría tendría que incorporar a la simbiosis como mecanismo adicional de los cambios evolutivos. Los científicos no comprendían por qué tendrían que procurar una nueva forma de explicar los cambios evolutivos, cuando la manera anterior era apoyada por tantas evidencias y parecía explicar la mayoría de las observaciones. Serían necesarias más evidencias para convencerlos de que la teoría de la evolución debía hacer espacio para otro mecanismo de cambio evolutivo.

4.  Prejuicios   Los científicos se esfuerzan por trabajar objetivamente; pero, siendo humanos, son vulnerables a tener tendencias y preconceptos personales — prejuicios — como cualquier otra persona. En este caso, los científicos tenían dos prejuicios principales que distorsionaban su reacción a la hipótesis endosimbiótica. En primer lugar, desde Darwin, la evolución consistía en la competencia entre organismos, que competían por territorio, parejas y alimento. Pero la hipótesis endosimbiótica se enfocaba en cooperación (Fig.13). La teoría evolutiva no negaba la posibilidad de haber cooperación, pero los científicos no estaban acostumbrados a la idea de que la evolución podría ocurrir como resultado de la colaboración entre dos organismos.

Figura 13. Los científicos aceptaban idea de que la competencia (a la izquierda, representada por el carnero de las rocosas) condujo a la evolución, pero no estaban tan cómodos con la idea de que la cooperación (derecha, representada por un pez payaso en busca de protección entre los tentáculos de la anémona) haya conducido a la evolución.

En segundo lugar, en aquel tiempo, la mayor parte de los científicos que hacía investigación en el campo de la evolución, trabajaba con animales relativamente grandes — moscas de la fruta, aves y ratas — y no con microorganismos como amebas o bacterias, estudiadas por Margulis. Los científicos que trabajaban con microorganismos sabían que un organismo viviendo dentro de otro era un fenómeno normal, pero los que trabajaban con animales grandes habían observado pocos ejemplos de endosimbiosis. Hoy, sabemos que la endosimbiosis es común aún en animales multicelulares y complejos (como las algas que viven en moluscos gigantes y realizan fotosíntesis); pero, en esos años, los científicos que estudiaban organismos de mayor tamaño presumían que este fenómeno era bastante raro. A estos científicos les era difícil aceptar esta hipótesis porque no conocían fenómenos de endosimbiosis en los animales que estudiaban.

Obviamente, los científicos no aceptan inmediatamente nuevas ideas. Esta resistencia puede hacer que la ciencia evolucione lentamente, pero sirve para garantizar que todas las nuevas ideas sean testeadas minuciosamente antes de ganar aceptación. En su primera publicación sobre esta hipótesis, Margulis hizo lo mejor para explicar todos los test que ya habían sido hechos, así como los que aún estaban por hacerse.

Organizar  la  evidencia     En el tiempo en que Margulis propuso su versión de la hipótesis endosimbiótica,

la visión dominante en la comunidad científica era que las mitocondrias y estructuras semejantes habían evolucionado paso a paso a partir de otras partes de la célula (Fig. 14). Entonces, ¿cómo Margulis presentó su idea?. Todos los argumentos científicos funcionan de la misma forma: se piensa en lo que esperamos o prevemos que se observe en una situación dada si la hipótesis fuese verdadera y después se confirma si esa expectativa (o predicción) se corresponde con la realidad. Si eso sucede — y si ninguna otra hipótesis genera la misma expectativa — la idea es apoyada; si no, es rechazada. La mayor parte de las hipótesis y teorías científicas generan muchas expectativas, todas concernientes a diferentes líneas de evidencia que pueden o no apoyar la idea.

Fig, 14. Esquema que resume la Hipótesis endosimbiótica versus la hipótesis paso a paso.

Vamos a ver cuáles expectativas generaba la hipótesis endosimbiótica

comparada con la hipótesis paso a paso. A pesar de que la hipótesis de Margulis sea sobre las mitocondrias, las estructuras tubulares y los plastidios (por ejemplo, el cloroplasto), nos enfocaremos inicialmente en las mitocondrias.

Si las mitocondrias evolucionaron a partir de una bacteria independiente

engullida por otra bacteria, entonces se debería esperar: 1.Que las mitocondrias se reproduzcan de forma independiente y se pasen de padres a hijos. Las bacterias se reproducen individualmente, no son creadas a partir de otro organismo. Pues bien, si las mitocondrias fuesen descendentes de bacterias, se esperaría que se reprodujesen individualmente— y no que fuesen generadas a partir de otras estructuras de la célula en cada nueva generación. La propia Margulis había

observado la forma de reproducción de las mitocondrias, dividiéndose al medio (Fig.15). Y otros científicos ya habían publicado sobre observaciones de estas nuevas mitocondrias siendo divididas entre dos células hijas cuando se dividía la célula huésped. No había dudas de que las mitocondrias llenaban esta primera expectativa. Por ahora, ¡todo bien! 2. Que las mitocondrias tuviesen su propio material genético Todos los organismos tienen material genético; por eso, si las mitocondrias hubiesen sido, inicialmente, bacterias, deberían tener su propio DNA. Así como Margulis había ido a buscar el DNA en los cloroplastos de Euglena, otros científicos intentaron buscar DNA en las mitocondrias — ¡y lo encontraron! Las mitocondrias iban al encuentro de la segunda expectativa de Margulis. 3. Que el DNA mitocondrial codificase las características de las mitocondrias. Si el DNA mitocondrial corresponde al que antes era el DNA bacteriano, se esperaría que codificase características específicas de las bacterias antecesoras (ej.: utilización de oxígeno para degradar los alimentos) — características que el DNA del núcleo no codifica. Pero ¿como se percibe si una característica es codificada por el DNA mitocondrial o nuclear? Margulis pensó en dos test: Test nº1: EL método más simples sería remover las mitocondrias y luego chequear si el rasgo (ej: producción de una determinada proteína para degradar los alimentos) aún existe en la célula. Infelizmente, la mayor parte de las células no sobrevive a la remoción de las mitocondrias y esto hace que sea difícil ver si hay características que faltan o no. Para las mitocondrias, por lo menos, este test resultó inconcluso. Test nº2: El segundo test se basaba en la forma en que se heredan los rasgos. Mendel fue capaz de predecir qué rasgos tendría la descendencia ya que, en casi todos los casos, la descendencia obtiene la mitad de su material genético de madre y la otra mitad del padre. Sin embargo, en algunos seres vivos pluricelulares, las mito-condrias son heredadas solo de un progenitor, normalmente de la madre (Fig.16). Esto ocurre porque las mitocondrias generalmente se heredan sólo del ovocito II y no del espermatozoide. Esto significa que, si algunos rasgos específicos (por ejemplo, la utilización de oxígeno para degradar los alimentos) se codifican en el DNA mitocondrial (y no en el DNA nuclear), estos rasgos deben tener patrones de herencia maternos no comunes.

Otros científicos ya habían descubierto estos rasgos. El síndrome de Kearns-Sayre fue investigado mucho después de que Margulis propuso su hipótesis, pero es un buen ejemplo de este tipo de rasgos. Este síndrome es una enfermedad genética rara causada por una disminución de la capacidad de las células para obtener energía a partir de los alimentos energéticos. Cuando los científicos estudiaron los patrones de herencia de esta enfermedad, descubrieron que solo era transmitida por la madre — tal como se esperaba, si el gen que causa esta enfermedad estuviese localizado en el DNA mitocondrial. Evidencias reunidas más tarde, también apoyaron esta idea de que el gen que codifica para este síndrome se encuentra en el DNA mitocondrial. Margulis sabía de la existencia de tales rasgos heredados maternalmente. Además, estos son rasgos que están, aparentemente, relacionados con el papel de las mitocondrias en la célula. Estas eran evidencias fuertes que apoyaban la idea de que algunos rasgos sólo están codificados en el DNA mitocondrial. ¡Las mitocondrias también pasaron este test! 4. Que las mitocondrias tuviesen parientes bacterianos; las mitocondrias serían más parecidas a las bacterias de vida libre que a la célula donde se encuentran. Si las mitocondrias evolucionaron a partir de bacterias, deberían tener a las bacterias como predecesores lejanos. Pero ¿cómo podrían saber los científicos quienes serían estos precusores? Las características como secuencias largas de DNA, un órgano complejo o un proceso bioquímico complicado son generalmente buenos indicadores de relaciones evolutivas. Si dos organismos presentan la misma característica compleja, es mucho más probable que la hayan heredado de un ancestro común en vez de que ese mismo rasgo complejo haya evolucionado dos veces, en dos linajes distintos.

Margulis no tuvo que buscar mucho para encontrar un grupo de bacterias que encajara en el perfil. Las bacterias aerobias (Fig. 17) comparten rasgos complejos y esenciales con las mitocondrias, como por ejemplo, la capacidad de utilizar oxígeno para degradar las moléculas de los alimentos energéticos.

¡Las mitocondrias y estas bacterias usan

hasta los mismos pasos bioquímicos en el proceso! Las bacterias aerobias eran el candidato perfecto para parientes de las mitocondrias.

Examinar  la  alternativa   Todas las observaciones descritas anteriormente tienen más sentido si las mitocondrias evolucionaron a partir de bacterias de vida libre. Pero si la hipótesis alternativa -que las mitocondrias se originaron paso a paso dentro de la célula (Fig. 18) --fuese correcta, entonces no hay razón para esperar que las mitocondrias al ser transmitidas a la descendencia, tengan ADN que codifique para rasgos únicos y estén

cercanamente emparentados con las bacterias. Para darle a la hipótesis alternativa un trato justo, Margulis trató de imaginar cuáles eran las expectativas que generaba, para ver si había alguna prueba que la apoyara. Ella pensó que…… Si las mitocondrias evolucionaron paso a paso dentro de la célula, debiéramos esperar: Que existiesen organismos que preservasen estadios anteriores de la evolución de las mitocondrias — que tuviesen "proto" mitocondrias

Los biólogos conocen muchos ejemplos de formas transitorias, organismos vivos o extintos que presentan estructuras "intermedias" que nos ayudan a percibir cómo ocurrieron los grandes cambios en la historia de la vida. Es razonable suponer que, si las mitocondrias evolucionaron a partir de otra estructura celular, entonces es posible encontrar algunos organismos con mitocondrias "transitorias" — formas evolutivas anteriores a las mitocondrias. Sin embargo, por más que lo hayan intentado, ningún científico observó, hasta hoy, una estructura como ésta. Todas las células conocidas por la ciencia o tienen mitocondrias completamente desarrolladas o no tienen ninguna. Esto tiene mucho sentido si las mitocondrias evolucionaron por endosimbiosis, pero no tiene sentido alguno si evolucionaron a partir de otra parte de la célula.

Sobre la base de la evidencia disponible, la hipótesis de la evolución paso a paso

no parecía muy convincente y la hipótesis de Margulis era razonable, pero aún no existía ninguna evidencia concluyente. La figura 19 resume todas las líneas de evidencia discutidas hasta ahora.

Los  otros  organelos  Ya analizamos

las líneas de evidencia que Margulis desarrolló para testear su hipótesis, usando las mitocondrias como ejemplo. Pero, claro, Margulis había propuesto que no habían sido solo las mitocondrias las que evolucionaron a partir de endosimbiontes. Ella pensaba que los plastidios y los organelos tubulares también habían evolucionado de esta forma. En el mismo artículo en que

reportó toda la evidencia que había recolectado acerca de las mitocondrias, también explicó la evidencia relevante para los otros organelos. Los plastidios tuvieron resultados aún más sorprendentes que las mitocondrias. Como se puede ver en la fig.20, todos los resultados obtenidos en los test realizados apoyaban la idea de que los plastidios habían evolucionado según la teoría endosimbiótica. Sin embargo, los organelos tubulares, no tuvieron resultados tan buenos. Estos organelos son transmitidos a la descendencia en algunos casos y no parecía existir ningún organismo que tuviese precursores de estas estructuras, pero la mayor parte de los test fueron poco concluyentes o, simplemente, aún no habían sido hechos. Aún así, Margulis pensaba que habían evolucionado vía endosimbiosis, pero las evidencias que apoyaban este punto de vista no eran muy sólidas.

La  comunidad  científica  reacciona  

El artículo de Margulis presentaba su hipótesis completa —cuándo había ocurrido cada evento endosimbiótico en la historia evolutiva— y todas las líneas de evidencia relevantes para los diferentes tipos de organelos. Margulis envió el artículo a más de una docena de revistas científicas, pero todas lo rechazaron — no porque pensaran que era ciencia de mala calidad, sino porque no encajaba perfectamente en ninguno de los temas abordados normalmente por esas revistas. El artículo de Margulis discutía fósiles, geología, genética, bioquímica y un conjunto muy amplio de organismos dispersos en el árbol de la vida. Finalmente, la revista Journal of Theoretical Biology (Revista de Biología Teórica), que comprende un conjunto de disciplinas, lo aceptó. El artículo fue publicado en 1967 bajo el nombre de Lynn Sagan, ya que, en ese tiempo, Margulis estaba casada con Carl Sagan (fig.21).  

Entonces, ¿los argumentos de Margulis fueron suficientes para convencer los sus colegas? ¡Sí y no! El artículo despertó inmediatamente un grande interés, y hasta ganó un premio, como artículo del año 1967, para la mejor publicación hecho por un docente de la Universidad de Boston, donde Margulis enseñaba. Muchos de los colegas de Margulis que trabajaban en genética y microbiología aceptaron rápidamente la idea. Otros biólogos fueron seducidos por el número de líneas de evidencia que Margulis consiguió reunir. Pero muchos investigadores de otros campos estaban francamente perturbados por la idea de que estructuras celulares vitales como las mitocondrias hubiesen evolucionado por endosimbiosis. Algunos críticos argumentaron que podían pensar en escenarios plausibles en los cuáles las células eucariotas habrían evolucionado de forma gradual y lenta y aún respondiendo a las expectativas creadas por la hipótesis endosimbiótica.

Por ejemplo, una de las líneas de evidencia relevantes se relacionaba con la forma del DNA en las mitocondrias. El DNA mitocondrial tiene forma circular (Fig. 22), tal como el DNA bacteriano. El DNA nuclear, por otro lado, está compactado en cadenas lineales. Algunos científicos argumentaron que esto indicaba que las mitocondrias eran más parecidas a las bacterias que a las células donde se encontraban y veían este hecho como evidencia que apoyaba la hipótesis de Margulis. Los críticos, sin embargo, interpretaban la evidencia de forma diferente. Basados en el conocimiento que el DNA circular había sido la primera forma de DNA que existió, ellos pensaban que los ADNs mitocondrial y bacteriano habían evolucionado a partir de este DNA ancestral, pero siguiendo líneas evolutivas diferentes. En otras palabras, ellos pensaban que los ADNs mitocondrial y bacteriano eran parecidos en su forma, no porque estuviesen próximamente relacionados, sino porque habían evolucionado a partir de la forma original del DNA (Fig. 23)    

Tal vez esta explicación no parezca muy probable, cuando se compara con la hipótesis de Margulis; pero, en algunos aspectos, la ciencia puede actuar como un tribunal — el peso de la evidencia pertenece muchas veces a quien hace la nueva afirmación. Era Margulis quien tenía que convencer a los escépticos que ella tenía razón.

Margulis tenía la suficiente experiencia para percibir que sería necesario más de un artículo para convencer a otros científicos para que tomaran en serio su hipótesis. Margulis tuvo que ultrapasar la resistencia de la comunidad científica con ideas que no estaban familiarizadas y que no encajaban a la perfección con la teoría de la evolución, tal como se aceptaba en esa época. Con ese fin, Margulis publicó sus argumentos en un libro completo que, después de un rechazo inicial por parte de un editor, fue finalmente publicado, en 1970. El formato que usó Margulis para escribir su libro le permitió alcanzar una aceptación interdisciplinaria, desarrollar sus argumentos y contra-argumentar con algunos de sus críticos.

A pesar de que el libro logró que muchos científicos tomaran en serio a la teoría endosimbiótica, no los convenció a todos. En ciencia, la evidencia es la que manda. Las Ideas sobreviven o son rechazadas por evidencias que las apoyen o las refuten — y la mayoría de los científicos quería, simplemente, evidencias más sólidas antes de aceptar la nueva idea.

La  evidencia  concluyente:  El  apoyo  de  una  nueva  tecnología  

La controversia duró aproximadamente diez años. Mientras nuevos datos y nuevos argumentos se llevaron a discusión por ambos lados, no hubo ninguna nueva investigación que resolviera el problema y que dejara conforme a todos. Aunque, normalmente pensemos que los científicos actúan como personas neutras y lógicas, había mucho entusiasmo por ambos lados. Margulis continuó defendiendo su hipótesis y los que la apoyaban la consideraban persistente y audaz. Sus detractores pensaban lo mismo de ella, pero algunos lo decían ¡con mucho menos admiración!

Durante los años 1970, mientras algunos científicos debatían la hipótesis de Margulis, otros trabajaban en una nueva tecnología que podría eventualmente resolver el problema: la secuenciación del DNA— técnica que permitiría la lectura del código químico que compone nuestros genes. La secuenciación del DNA es una de las herramientas más poderosas de la biología. Debido a que las especies que están próximamente relacionadas tienen genes parecidos, la secuenciación del DNA nos puede mostrar cuan relacionadas están unas especies con otras— y esto era lo que los científicos necesitaban saber para evaluar una línea de evidencia importante en la lista de Margulis: “si las mitocondrias, los plastidios y las estructuras tubulares tenían parientes bacterianos próximos” (Fig. 24)

Figura 24.

Michael Gray y W. Ford Doolittle (Fig. 25) estaban interesados en aplicar las nuevas tecnologías de secuenciación al debate sobre endosimbiosis. Ellos querían saber si el DNA de los plastidios estaba más relacionado con el DNA bacteriano o con el DNA nuclear de la célula. Si los plastidios evolucionaron por endosimbiosis, se esperaría que su DNA tuviese secuencias parecidas con las del DNA de las bacterias. Por otro lado, si los plastidios evolucionaron de acuerdo con la hipótesis paso a paso dentro de la célula eucariota, se esperaría que su DNA fuese más parecido al DNA del núcleo. En 1982, se obtuvieron los resultados. En un artículo publicado en ese año, Doolittle y Gray resumieron sus resultados: el DNA de los plastidios era mucho más parecido al DNA de las bacterias fotosintéticas que viven en estado libre, que al DNA de la célula huésped. Restaban pocas dudas: estos organelos habían evolucionado, casi con certeza, a partir de endosimbiontes.

Los científicos aún no tenían la certeza

sobre las mitocondrias; pero solo un año más tarde, se logró la secuenciación genética de las mitocondrias— y ese DNA era, al final, extraordinariamente parecido al de las bacterias aerobias. Este resultado convenció a los científicos de que también las mitocondrias habían evolucionado endosimbióticamente a partir de bacterias. 16 largos años después que Margulis publicó por primera vez sobre sus ideas, la evidencia era convincente demás para ser ignorada. La mayoría de los científicos aceptó las ideas de Margulis sobre la importancia de la endosimbiosis. La teoría de la evolución tuvo que incorporar un nuevo mecanismo evolutivo: las linajes no se dividen sólo por especiación; también pueden fundirse por endosimbiosis y originar así un nuevo linaje.

EL    debate  acerca  de  los    organelos  tubulares  perdura  

¿Y qué pasó con los organelos tubulares, como cilios y flagelos (Fig. 26), sobre los cuales Margulis pensaba que también habían evolucionado vía endosimbiosis? La historia evolutiva de estos organelos terminó siendo mucho más difícil de aclarar y el debate acerca de su origen aún perdura hasta los días de hoy.

El DNA fue encontrado en las mitocondrias y en los plastidios al inicio de nuestra

historia, pero no sucedió lo mismo con los organelos tubulares. Como estas estructuras son grandes y pegajosas, el DNA libre, ya sea del núcleo como del ambiente, tiende a quedar pegado a ellas. Estas "motas de algodón" celulares siempre se contaminaban con otro DNA— y esto hizo que fuese difícil percibir si estas estructuras tenían o no su propio DNA.

Joan Argetsinger (Fig. 27), la primera científica en someter a prueba la idea de la existencia de DNA dentro de los organelos tubulares, publicó sus resultados en 1965. Argetsinger encontró DNA, pero no logró determinar si pertenecía al organelo o si era contaminación. El debate duró décadas. Muchos afirmaron haber encontrado evidencia de material genético, DNA o ARN (otra molécula que contiene información en el interior de las células) — pero siempre acababa por demostrarse que era el resultado de métodos con errores o de contaminación.    

 A pesar de la falta de evidencia, Margulis

continuaba convencida de que, finalmente, se tendría que encontrar evidencia que apoyara la idea de que los organelos tubulares, al igual que las mitocondrias y los plastidios, son el resultado de la endosimbiosis. En 2006, Margulis publicó una versión revisada de su hipótesis que contenía todas las observaciones hechas hasta la fecha — incluyendo el hecho de que era muy difícil encontrar material genético perteneciente a los organelos tubulares. De acuerdo con la nueva versión de la hipótesis, los organelos tubulares evolucionaron vía endosimbiosis, pero tienen menos material genético (lo que dificultaría su descubrimiento) porque estos fueron los primeros endosimbiontes en ser envueltos en la célula huésped y tuvieron mucho más tempo para perder su material genético comparado con los restantes organelos. Sin embargo, muchos científicos no quedaron más convencidos con su hipótesis actualizada, respecto de los organelos tubulares, de lo que ya estaban con la hipótesis original.

En 2008, pareció que su hipótesis sobre los organelos tubulares iba a recibir

algún apoyo. Un equipo de científicos encontró evidencia convincente de que un determinado tipo de organelo tubular tenía su propio material genético — ¡ARN!. ¿Serian suficientes estos datos para convencer a la comunidad científica de que Margulis estaba en lo correcto sobre el origen endosimbiótico de los organelos tubulares?

No . La excitación duró poco tempo. Apenas un año más tarde, otro grupo de

científicos mostró que al remover los organelos tubulares de una célula eucariota, estas volvían a crecer. De acuerdo con los criterios originales de Margulis, la auto-replicación y la transmisión a las células hija era una expectativa importante generada por la hipótesis endosimbiótica. Si una célula consigue desarrollar, de raíz, un organelo, es probable que este organelo no se reproduzca de forma independiente ni se transmita a las células hijas. Esta descubrimiento iba contra la idea de que estos organelos habían evolucionado vía endosimbiosis (Fig. 28). Basándose en todas las evidencias disponibles, la mayoría de los biólogos rechazó la hipótesis de que los organelos tubulares descendían de endosimbiontes.

Actualizar  la  teoría    de  la  evolución    Margulis pudo haber estado errada cuando afirmó que los organelos tubulares

surgieron por vía endosimbiótica —muchos biólogos piensan que esta parte da su hipótesis no es apoyada por la evidencia — pero sus ideas fueron, aún así, una de las mayores contribuciones a la biología evolutiva de los últimos 100 años. Margulis no iba en contra de ninguna de las ideas principales de la evolución, ¡pero forzaba a algunas de ellas a crear un espacio para ciertas modificaciones! (Fig. 29). Margulis estableció que las mutaciones genéticas no son la única fuente de nuevas características y que la competencia no es la única estrategia que los seres vivos pueden usar para ganar ventaja en el juego evolutivo. A través de endosimbiosis, los organismos distantemente relacionados pueden cooperar para formar una entidad que es más apta, comparada con las especies individuales involucradas y, a lo largo del tiempo, esa relación de cooperación puede tornarse tan íntima, que lo que antes eran dos o tres especies diferentes, ahora se transforma en una sola. Hoy, los biólogos aceptan la idea de que esta forma de endosimbiosis es común.

Fig. 29.

Al final, las sólidas evidencias validaron la hipótesis de Margulis, pero parte de la batalla fue ganada con persistencia y tempo. La evidencia siempre es el factor más importante en la aceptación de las ideas científicas, pero la ciencia no ocurre en el vacío y muchos otros factores pueden afectar la evolución de su progreso. Nuevas ideas, o ideas que parecen alejarse de las teorías aceptadas, enfrentan obstáculos mayores hasta su aceptación, reemplazando así a las ideas más familiares. Esto puede atrasar las cambios en el conocimiento científico, lo que no necesariamente está malo. Este tipo de escepticismo garantiza que las nuevas hipótesis sean sometidas a pruebas rigurosas, con múltiples líneas de evidencia independientes, antes de recibir el apoyo de la comunidad científica. Sin embargo, es importante notar que todas las ideas en ciencia tienen que ser testeadas para darle validez a la evidencia, a pesar de que este proceso demore décadas.

La historia del descubrimiento hecho por Lynn Margulis nos muestra cómo se

modifican las ideas científicas a lo largo del tiempo. Lo que comenzó siendo una hipótesis vanguardista que no podía ser sometida a prueba con las herramientas disponibles en el siglo XIX, fue reavivada y expandida por Margulis cuando comenzó a ser desarrollada la tecnología apropiada. Así, Margulis convenció a la comunidad científica que la evidencia era suficientemente sólida para que esta idea extraña sobre endosimbiosis fuese tomada en serio. Gracias a los esfuerzos de muchos científicos pertenecientes a una vasta gama de áreas, la idea fue estudiada hasta que aún los críticos más acérrimos tuvieron que concordar que, por lo menos en lo que respecta a las mitocondrias y a los plastidios, la idea es correcta.  

EL trabajo persistente de Margulis en esta hipótesis alteró la

forma del modo en que los científicos comprenden la evolución e inspiró un nuevo mundo de preguntas: ¿habrán evolucionado vía endosimbiosis otras estructuras celulares, además de las mitocondrias y plastidios? ¿Cómo fue a parar el DNA de los endosimbiontes al núcleo de la célula huésped? ¿Con qué frecuencia ocurre esta transferencia de DNA? ¿El DNA transferido es

beneficioso, prejudicial o neutro? ¿Como afectó este proceso a la evolución del genoma? A medida que científicos de muchas áreas diferentes buscan las respuestas a estas preguntas, se crea una mejor comprensión sobre los principales roles que la endosimbiosis y la cooperación desempeñaron en la evolución de la vida en la Tierra. ¿Quiere  saber  más? Consulte estas referencias (en inglés): Hagen, J. 1996. Lynn Margulis & the question of how cells evolved. Doing Biology. Glenview, IL: Harper Collins. Gray, M. W., and Doolittle, W. F. 1982. Has the endosymbiont hypothesis been proven? Microbiological Reviews. 46: 1-42. Gray, M. W. 1983. The bacterial ancestry of plastids and mitochondria. BioScience. 33: 693-699. Margulis, L. 1970. Origin of Eukaryotic Cells. New Haven, CT:Yale University Press. Sagan, L. 1967. On the origin of mitosing cells. Journal of Theoretical biology. 14: 225-274.

Este documento es una traducción libre, con leves modificaciones del original, realizada por Gustavo Toledo Contreras, Profesor de Biología y de Ciencias Naturales del artículo “Cells within cells: An extraordinary claim with extraordinary evidence”, el cual se encuentra disponible en internet en el siguiente URL: http://undsci.berkeley.edu/lessons/pdfs/endosymbiosis.pdf