El Cedazo

En las entradas anteriores de esta serie sobre la Biografía de la Vida hablábamos sobre el concepto de Evolución y cuáles eran las circunstancias que le acompañan. A partir de la entrada de hoy vamos a desarrollar el análisis de temas muy particulares, resultados del modelado evolutivo. Se trata de la evolución de la complejidad, de cómo surge la diferenciación celular, la segmentación y los órganos directores, sustentadores o alimentadores de las células y organismos.

En el transcurso de nuestra narración cronológica habíamos llegado a la explosión del Cámbrico, la cual nos incita a hacer una parada y observar el inmenso paisaje desde sus alturas, contemplando los profundos cambios que ha experimentado nuestro planeta desde entonces. Desde los primeros protistas eucariotas hasta la actualidad, en donde las estructuras orgánicas se han complicado de tal forma que los mamíferos son presentados como paradigma de esta realidad, la maquinaria de vida de los seres se ha visto modificada a golpes del timón de la variación genética y la selección natural, golpes a veces suaves y en otras ocasiones enérgicos. De 600 a 700 millones de años nos contemplan.

Aunque es evidente, hago una advertencia parecida a la que comenté en entradas anteriores. El monográfico de hoy rompe de nuevo el devenir cronológico de la biografía de la Vida, que recuperaremos una vez acabemos con una especie de “miniserie” interna, que ocupará varias entradas, sobre diversos aspectos de la evolución que creo merecen una atención especial. Dicho esto, sigue la historia.

En concreto hoy, tras un dibujo general del plano evolutivo, hablaremos del camino seguido para la diferenciación celular: cómo de una célula única del cigoto se llega a células variadas en forma y especialización.

Camino secuencial de la aparición de la complejidad animal (a partir de imágenes de Wikipedia)

La imagen anterior dibuja las estrategias seguidas en el camino hacia la complejidad. Para entenderla mejor deberemos partir del primer momento del desarrollo embrionario, cuando se da a las células el manual para la vida, cuando se les dice cuál debe ser su cometido diferenciándolas unas de otras. El invento de la especificidad de estas instrucciones debió suceder hace unos 750 millones de años. Desde entonces los organismos han accedido a diversos caminos funcionales y morfológicos, perfectamente operativos. El resultado ha sido plural y siempre en forma de seres correctamente constituidos.

Como en algún punto tengo que comenzar, propongo que imaginemos el inicio de la historia de la complejidad en un momento en que un pequeño ameboide adoptó la originalidad de un flagelo, transformándose en un “nervioso” coanozoo. Unos cuantos de estos nuevos y activos colegas se agruparon formando un porífero -una esponja-, uno de los primeros seres con células organizadas en comunidad. Para poder avanzar por la historia, este animal necesitaba hacer más complejo su organismo, necesitaba un manual de instrucciones un poco más pesado, y lo consiguió haciendo una serie de retoques en el proceso de desarrollo embrionario que le permitieran pensar en novedosos tejidos y sofisticadas estructuras. Adoptó, hace unos 630 millones de años, la eficaz simetría bilateral para transformarse en un gusano plano, un platelminto, y desde entonces esta armónica disposición perdura hasta los vertebrados de hoy en día.

En algún punto del camino se multiplicaron sus planos de montaje corporal: aparece el celoma y se inventa la segmentación. Parecía que con eso estaba todo hecho, pero era cuestión de interpretar las instrucciones: dónde poner la boca, dónde poner el ano. Una alteración provocó el que se crearan dos grupos de familias que ya no se encontrarían nunca más: por un lado se fueron los protóstomos -artrópodos, gusanos y moluscos- y por otro lado los deuteróstomos –equinodermos y cordados-. La diversificación se produjo hace unos 590 millones de años. Aún hubo una última duda en la interpretación de las instrucciones que creó una nueva diversificación: los urocordados abandonaron a sus primos los cefalocordados, los cuales se quedaron solos en la senda hacia los vertebrados. A partir de entonces ya sólo se produjeron cambios de forma y tamaño, que se realizaban ajustando en el panel de control la afinación del crecimiento de las distintas partes del cuerpo, estableciendo para cada animal y cada órgano unos coeficientes distintos de desarrollo. La figura siguiente nos permite visualizar esta afirmación con toda claridad.

Una imagen autoexplicativa (obtenida del blog La Pizarra de Yuri, fair use)

Una vez dibujado el cuadro general de los avances morfológicos, nos acercaremos a algunos de ellos para tratar de entenderlos mejor. Veremos en los párrafos (y entradas) siguientes que los procesos de diferenciación celular, simetría bilateral, segmentación y adopción de la notocorda, cuando alejamos nuestra perspectiva de la fría cadena cronológica y lo vemos como meros pasos del desarrollo embrionario, forman un conjunto imbricado y sin casi posibilidad de diferenciación entre ellos.

Empecemos por el principio, la diferenciación celular.

El camino de la diferenciación celular

James W. Valentine  y otros colegas de la universidad de Berkeley postulan que así como la longitud del genoma podía ser un índice de la complejidad de las procariotas, la evolución del número de tipo de  células especializadas –neuronas, epiteliales, musculares…- para la construcción del organismo de los metazoos es el mejor indicador para seguir la evolución de la complejidad morfológica en los animales.

Evolución del número de tipos diferentes de células en los animales

Veamos cómo se escaló la empinada curva de la figura anterior. Correría el año 780, en millones, antes de hoy, mucho antes de las esponjas y de extraños ameboides semejantes al actual Trichoplax adhaerens, un animal plano compuesto por multitud de células aunque ninguna de ellas especializada. En las aguas de aquel entonces, con toda seguridad algún ser vivo parecido, muy simple, comenzaba a explorar nuevas vías que aún tardarían mucho en concretarse. Alguna de estas opciones le llevaría a algo que se asemejaba a una especie de diferenciación funcional de las células.

Las esponjas y el amorfo Trichoplax adhaerens carecen de órganos y de la mayoría de los tejidos. Pero sus antepasados abrieron el excitante camino de la diferenciación celular, el proceso por el cual a partir de una sola célula patriarcal fueron apareciendo por evolución diversos tipos de células, con cometidos tan diferentes como pueden ser los digestivos o locomotores.

Trichoplax adhaerens  con un tamaño aproximado de medio milímetro (Wikimedia, CC BY-SA 2.0 Germany)

Un primer indicio lo vamos a encontrar en las primitivas esponjas, de las que tenemos noticias ya en el periodo ediacárico, hace 650 millones de años. En ellas todas las células están preparadas para hacer cualquier tipo de trabajo. Se especializan llegados el momento y la situación. No olvidemos que la estrategia de la esponja está a medio camino entre las cooperativas celulares y los tejidos. Junto a ellas los cnidarios tendrían ya unas unidades funcionales que actuaban como tejidos.

Muchos seres vivos provenimos de la fusión de dos células con un solo juego de cromosomas, una masculina y otra femenina. Como resultado se produce una sola célula con un juego doble de cromosomas emparejados. Sobre esta célula, el cigoto, recae la ardua tarea encomendada por toda una historia de diferenciación celular, la tarea de generar todo un organismo completo, con tejidos que tendrán distintas funciones, cada uno de esos tejidos con un tipo de células específico.

Todas las células de un embrión contienen la misma carga de genes, por lo que deberíamos deducir que no son los genes por ellos mismos, por el mero hecho de tenerlos, los que condicionan la diferenciación celular. Lo que diferencia unas de otras debe ser el subconjunto de genes que cada una de ellas expresa, es decir, el tipo de proteínas que se sintetizan en cada tipo de célula.

En los primeros pasos de desarrollo del cigoto ya se definen los ejes principales del embrión: delante/detrás y arriba/abajo. El proceso debe ser algo parecido a lo que se ha estudiado en el gusano Caenorhabditis elegans, del que, gracias a su simplicidad orgánica, que se reduce a 959 células cuando es adulto, se han llegado a conocer todos los misterios de su desarrollo, desde el huevo hasta el adulto.

En líneas generales el proceso se puede resumir así (ver figura de más abajo): El espermatozoide penetra en el óvulo en una posición que definirá desde el primer momento un eje, e induce en el citoplasma del cigoto unicelular la creación de unos gránulos que son un conglomerado de proteínas. Estos gránulos se concentran en un extremo del cigoto. Cuando éste se divide en dos células, una de ellas se lleva la mayoría de gránulos, la célula P, y con eso marcará en el posterior desarrollo la parte trasera del embrión. La otra célula, llamada AB, por el contrario, condicionará para siempre el polo anterior. Es decir, es el gradiente químico inicial de proteínas el que fija el eje antero/posterior del organismo maduro.

Dos primeras divisiones celulares del cigoto de Caenorhabditis elegans

Pasemos a la siguiente mitosis: de dos a cuatro células. La célula P se divide en P2 y EMS, y la AB en ABa y ABp. Por cuestión simplemente de tamaño del cigoto, la célula P2 sólo puede estar en contacto con la ABp, produciéndose un fenómeno de inducción mediante las proteínas que la primera envía a la segunda. Esta acción diferencia los dos tipos de células AB especializando a la ABp que en lo sucesivo fija el polo dorsal del embrión, formando con la célula EMS el eje dorsal/ventral.

Al ser el Caenorhabditis elegans un animal extremadamente sencillo, el proceso anterior de los primeros pasos de su embrión nos da una idea de lo que pudieron ser los inicios históricos de la diversificación celular y la fijación de una simetría bilateral. Lo importante es fijar la idea de que desde el momento inicial de la fecundación una cadena de activación de proteínas condiciona cómo va a ser el organismo futuro, y de cómo por mecanismos de inducción entre células, que también se dan entre grupos de ellas para singularizar a los tejidos, se dibuja el mapa de diferenciación en el proceso de división celular.

Algo semejante se ha observado estudiando las planarias, unos platelmintos bilaterales. Su cuerpo tiene la capacidad de regenerar su cabeza o su cola si se las ha seccionado. Pues bien, en el laboratorio^[1] se ha conseguido generar animales con dos nuevas cabezas, una delante y otra detrás, o invertir su vientre y su dorso simplemente manipulando cadenas específicas de genes, y por tanto las proteínas que expresan, que durante la embriogénesis definen en la mayoría de los animales sus ejes antero-posterior y dorso-ventral. Manipulando la que se conoce como vía de señalización Wnt/β-catenina que define el primero de estos ejes, se conseguía la aparición de una cabeza en donde antes había una cola, es decir, una planaria con dos cabezas. Manipulando la vía de señalización conocida como BPM se llegaba al giro dorso-ventral del animal, lo que se traducía en que en la parte ventral se habían generado estructuras dorsales. Es evidente que este estudio de laboratorio aporta una evidencia acerca de que el comportamiento específico de las células y las especializaciones de las estructuras de los organismos son consecuencia de determinados patrones proteínicos que se generan cuando ciertas señales extracelulares activan o inhiben los genes adecuados.

Los planos de construcción de los organismos complejos son muy similares. El cigoto unicelular, formado por fusión de los gametos masculino y femenino, comienza una actividad frenética de divisiones mitóticas: una célula, dos células, cuatro células, ocho… y así en un proceso constante e interminable.

Fases iniciales del desarrollo embrionario durante la fase de gastrulación

Tras las primeras tandas de divisiones se forma una especie de mora, una esfera de células, hueca, llamada blástula. Esta esfera, a medida que va creciendo, va tomando una forma más alargada, que se aplana adaptándose sobre la yema alimenticia que aportó el gameto femenino o sobre la estructura que luego va a desarrollar la placenta y el sistema de intercomunicación sanguínea madre-embrión, formando una especie de caparazón con un eje longitudinal y con una asimetría dorsal-ventral. Este eje está definido por una hendidura que determinará la simetría bilateral del individuo y su posición cabeza-cola. Durante el alargamiento aparecen los segmentos corporales, una especie de repeticiones como rodajas que van de la cabeza a la cola. Esta segmentación tiene una gran importancia ya que, como se explicará más tarde, es la base de la diferenciación de estructuras del organismo.

Tras esta fase, el embrión comienza una etapa de invaginación –gastrulación- por su extremo de cola, generándose una especie de tubo interno a la estructura externa: un tubo dentro de otro tubo. Son el endodermo y el ectodermo. Quedan por tanto definidos dos huecos que podríamos considerar concéntricos, el intermedio, que formará la cavidad interna del cuerpo, el celoma, que en los vertebrados acabará formando el tórax y abdomen, y el interno, que con el tiempo llegará a ser el tubo digestivo, definiendo el ano y la boca. Por ser una característica taxonómica que define las familias de deuteróstomos –equinodermos, tunicados y vertebrados- y protóstomos –gusanos, moluscos, insectos, crustáceos, arañas, escorpiones, ciempiés- comentaremos que en los segundos el primer orificio que se genera es la boca, mientras que en los deuteróstomos, como los mamíferos, es el ano.

El celoma merece una mención especial ya que hay teorías que apuestan por el hecho de que en este hueco corporal interno  está el origen de un aparato locomotor complejo. Permitió a los animales celomados el “contorsionar” su cuerpo mediante el bombeo de líquido a través del celoma con lo que se producía un movimiento más versátil que el que se conseguía mediante cilios y flagelos, o con deformaciones de tipo ameboide. Esta gran ventaja les puso en bandeja, al poder moverse tunelando, un importantísimo nicho de alimentos como era el fangoso fondo marino repleto de residuos orgánicos acumulados durante milenios.

Desarrollo de mesodermo durante la fase de gástrula (vista superior)

Tras esta necesaria puntualización sobre una de las ventajas que aportó el celoma, volvemos a la línea argumental de la diferenciación celular. En la siguiente fase se produce en el celoma un crecimiento celular sobre la pared exterior del endodermo. Comienza su desarrollo en posición del extremo “cola” de la hendidura central, y va creciendo expandiéndose hacia los lados y hacia la posición “cabeza”, formando una tercera capa de tejido llamada mesodermo. Hay algunas excepciones en este proceso, ya que animales como las medusas o los pólipos no desarrollan esta tercera capa (los diblásticos), generando una simetría radial y un solo orificio que hará simultáneamente de boca y ano.

El endodermo desarrollará los órganos internos del animal, desde el aparato digestivo al respiratorio; el mesodermo desarrollará el esqueleto, los músculos y los aparatos circulatorio y excretor; el ectodermo, por fin, la piel y tejido nervioso.

Como hablaremos más tarde al comentar el desarrollo de la notocorda, primera estructura de sujeción y rigidez, y del sistema nervioso, se seguirán produciendo otras invaginaciones a partir de las tres capas de tejidos. Pero en este momento de desarrollo embrionario recordemos que tenemos algo así como un doble tubo concéntrico diferenciado longitudinalmente en segmentos.

Este diseño de desarrollo embrionario está absolutamente generalizado desde los gusanos y estrellas de mar hasta los mamíferos, y define claramente, conjuntamente con los genes Hox que lo provocan (de los que hablaremos más tarde), al reino Animalia.

A lo largo del anterior proceso, que hemos descrito de forma somera, está presente el gradiente químico proteínico inicial que ya veíamos en Caenorhabditis elegans. Esto hace que, según la posición en donde se encuentren, las células del embrión participan de entornos con diferentes concentraciones de sustancias clave, concentraciones que siguen un patrón longitudinal, lo que provocará que la expresión de los genes sea distinta en cada una de ellas. Y al igual que los genes maternos en el óvulo produjeron el primer gradiente químico, como veíamos en el Caenorhabditis, los genes de cada una de las células se expresarán de forma distinta e inducirán nuevos gradientes químicos, que se irán entrelazando, dirigiendo la complejidad de la diversificación celular.

En este momento de la biografía de la vida hemos llegado a la realidad de un incipiente organismo triblástico, en el que ya encontramos atributos de bilateralidad, una cavidad interna -el celoma- y segmentación, dispuesto a seguir su camino. Antes de continuar con el análisis de estos avances orgánicos vamos a hacer de nuevo una pequeña digresión sobre un aspecto crucial de la diferenciación celular: El caso de la célula que decide diferenciarse por la vía del “altruismo”. Lo veremos en la siguiente entrada.

1. Según un artículo aparecido en la publicación Investigación y Ciencia de marzo de 2015. [↩]

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