Până acum am ridicat în slăvi atomii. Pentru că materia este în mare parte făcută din ei, fie că vorbim de mine, de tine, de biroul pe care îți stă laptopul, de smartphone-ul de pe care citești asta. Atomii sunt super importanți. Apoi am pus moleculele pe un piedestal. Atomii sunt mișto, dar adevărata magie are loc în momentul în care aceștia se adună și încep să se influențeze, dând naștere unor chestii precum moleculele. Numa’ că povestea nu se termină aici: la un moment dat și moleculele alea se satură de singurătate și se adună și ele, să lucreze împreună. Astfel se formează proteinele, care mai departe se adună și compun elementele de bază ale vieții: celulele.

 Cei ce le-au dat nume

Am observat, după ce mi-am luat niște sânge din mână, că el este constituit din niște mici globule rotunde.

Asta scria Antonie van Leeuwenhoek (un negustor olandez de pânzeturi) într-o scrisoare publicată în aprilie 1673 în revista Philosophical Transactions (Tranzacții Filozofice) a Societății Regale din Londra (un loc în care se strângea să discute cei mai învățați oameni din Anglia).

Aparent un tip foarte curios, acesta a luat o luptă modificată de el (folosită inițial pentru a verifica densitatea fibrelor din diferite materiale) și a devenit astfel, prima persoană din istorie care a văzut celule vii. Mai exact, acesta a văzut globulele roșii din sânge, celulele care se ocupă cu transportul de oxigen și de dioxid de carbon prin corpul uman și care sunt specializate numai pe asta.

redbloodcells
Globule roșii.
©Sep Lessons

Dar nu van Leeuwenhoek a fost cel care a dat numele acestor mici obiecte descoperite de el. Numele de celulă le-a fost dat cu 20 de ani în urmă de către omul de știință englez Robert Hooke. El e cunoscut în special pentru rivalitatea cu Isaac Newton care a durat până Hooke a dat colțul; e o adevărată telenovelă, cu ură, acuzații, înjurături, nebunii d-astea. Dar în 1655 Hooke a examinat niște țesuturi de plante și a observat niște “compartimente” moarte care stăteau ordonate unul lângă celălalt și le-a dat numele de celulă.

Cu toate acestea, nici unul dintre cei doi (Hooke sau van Leeuwenhoek) nu și-au dat seama că se uită la blocurile Lego ale vieții, că au în fața lor unitatea de bază, structurală și funcțională a tuturor ființelor vii. Celula. Am spus în titlul că este atomul biologic, tocmai pentru că întocmai ca atomii care stau la baza materiei din Univers, așa și celula stă la baza întregii biologii și a vieții. În momentul de față, din câte știm, nu există alt tip de viață în afara vieții celulare, adică cea compusă din celule.

Virusurile și viața 

Până în momentul de față virusurile au fost mereu considerate ca nefiind vii. Sunt niște chestii care nu se consideră că au viață. Da, se mișcă de unele singure și acționează independent, dar le lipsesc o grămadă de caracteristici tipice organismelor vii. În principal nu au propriul motor de reproducere. Mereu au nevoie să infecteze o celulă, să pună stăpânire pe sistemele ei de reproducere și abia apoi se poate replica. 

Este o dezbatere continuă în ceea ce privește toată treaba asta (mai ales pentru că se știu atât de puține despre virusuri sau bacterii în compariție cu organismele pluricelulare), dar din ce am întâlnit și eu în cărți și manuale, virusurile sunt clasificate ca nefiind vii. Recent cică s-au făcut descoperiri care să întoarcă ideea asta cu susul în jos, dar cum sunt foarte recente, pot fi răsturnate mâine-poimâine. Astfel, am decis ca în postarea asta să le consider ca nefiind vii, cum se considera până acum. Call me old-fashioned.

 Prokaryota: de unde începe nebunia

Viața de pe Pământ se împarte în trei domenii mari și late: bacteria, archaea și eukaryota. Organismele din domeniul eukaryota (plante, fungi, animale, mucegai etc.) sunt compuse din celule eucariote. Primele două domenii, bacteria și archaea, însă, sunt compuse din celule procariote, cele mai simple celule de care știm.

archeaneon

Se face că acum vreo 3,8 – 2,5 miliarde de ani (prin eonul arhaic) au apărut primele celule (în unele surse o să găsești că au apărut între acum 4,1 și 3,8 miliarde de ani). Primele forme de viațăCum Pământul s-a format acum vreo 4,6 miliarde de ani, ne dăm seama că vieții nu îi e foarte greu să intre în scenă: i-au trebuit cam 0,8-2,1 miliarde de ani, ceea ce e destul de puțin la scară cosmică. Ideea e că până atunci în oceanele de pe Pământ (oricare or fi fost ele) deja începuseră să aibă loc niște procese chimice.

Primele celule au fost procariotele, care erau pur și simplu niște săculeți de…să zicem gelatină în care se adunaseră mai multe molecule. Concentrând toate chestiile astea înăuntrul său, săculețul a permis accelerarea unor reacții chimice cheie, cum ar fi cele care generează energie.

De asemenea, fiindcă avea membrană, proteja proteinele rezultate din acele reacții de substanțele toxice din afară, precum diverși acizi sau diverse săruri din mediul înconjurător. Acest săculeț de gelatină era o oază de ordine într-un ocean al dezordinii și haosului, un micro-univers protejat unde ordinea și complexitatea puteau crește în siguranță.


O celulă procariotă tipică are următoarea structură: la exterior o capsulă (deși nu toate procariotele o au), un perete celular (care dă forma celulei) și o membrană plasmatică (care reglează ce intră în și ce iese din celulă).

Structura unei celule procariote tipice.
Structura unei celule procariote tipice.

Chestiile astea protejează nucleoidul (care conține o singură moleculă de ADN) de mediul înconjurător. Diferența dintre celulele procariote și cele eucariote (despre care vom povesti mai încolo) e că primele nu au un nucleu bine definit și nici organite celulare. Sunt foarte simple.

Pe lângă asta, în general mai au un flagel, care seamănă cu un bici (de unde și numele de flagel, din latină: flagellum – bici) și care ajută celula respectivă să se deplaseze. Citoplasma este ca un gel care se află în interiorul celulei și conține în principal apă, iar ribozomii sunt structurile care produc proteinele.

Am spus undeva mai sus că membrana plasmatică se ocupă cu reglarea lucrurilor care ies din sau intră în celulă, asta pentru că mereu au loc schimburi de molecule cu mediul înconjurător. Dar uite că procariotelor nu le ajunge asta și chiar răspund la moleculele trimise de alte celule. Chiar și cele mai primitive celule procariote au cooperat la început, lucru care este evident din fosilele unor mari comunități microbiene numite stromatoliți.

Stromatoliți din Shark Bay, Australia. ©Paul Harrison
Stromatoliți din Shark Bay, Australia.
©Paul Harrison

Celulele procariote vin într-o grămadă de forme, dar în principal sunt patru: cocci (sferice), bacili (ca niște bastonaște), spirochete (în spirală), vibrio (în formă de virgulă). Cu toate acestea, există și cazuri mai dubioase precum Haloquadratum din ordinul Archaea (deci nu e bacterie), care este pătrată.

 Eukaryota: canibalismul e bun (uneori)

Noi oamenii nu prea avem treabă cu natura, ne-am deconectat atât de mult de ea încât am început (într-un fel de a spune) să îi dăm noi ei lecții despre cum ar trebui să se comporte și îi dăm însușiri omenești. Ne-am îndepărtat atât de mult de ea încât până și cel mai hipiot om s-ar cruci dacă ar vedea ce înseamnă natura aia cu care crede el că e conectat. În Inspiră, expiră am văzut cum noi existăm datorită unui cataclism produs de deșeurile produse de niște banale celule. Practic, atmosfera pe care o avem în ziua de azi e pentru că niște celule au poluat-o cu oxigenul eliberat de ele. Apariția celulelor eucariote este la fel de dubioasă.

Acum vreo 1,8 miliarde de ani o celulă procariotă a înghițit o altă celulă procariotă. Chestia asta se mai întâmplase până atunci de o grămadă de ori, dar până atunci celula înghițită fie fusese devorată, fie fusese scuipată. Dar acum, pentru un motiv necunoscut, supraviețuise. Și nu numai! Aparent exista un beneficiu reciproc pentru ambele celule: celulă înghițită a găsit un mediu sigur în care era protejată de lumea ostilă de afară, iar cealaltă găsise o nouă sursă de energie.

Domeniul eukaryota (din care facem parte și noi) tocmai luase naștere în urma unui act de canibalism. Celula înghițită a devenit cu timpul ceea ce numim azi mitocondrie, una din cele mai importante părți dintr-o celulă eucariotă. Teoria care explică modul în care au apărut mitocondria și celula eucariotă se numește simbiogeneză (teoria endosimbiotică) și este universal acceptată în ziua de azi.

Mitocondria este un organit celular (structură specializată dintr-o celulă) care este practic o fabrică ce se ocupă cu crearea de adenozintrifosfat (ATP). O să vorbim mai multe despre mitocondrie și ATP mai jos, dar ce e relevant acuma: ea nu numai că are aceeași mărime ca o bacterie, dar și arată ca una. Pe lângă asta, cel mai incredibil fapt e că mitocondria are propriul ADN! Adică diferit de ADN-ul din nucleu. Astea-s motivele pentru care simbiogeneza are atâta sens.

Schița unei mitocondrii umane.
Schița unei mitocondrii.

 Orașe celulare

Celula eucariotă este un veritabil oraș celular. Nu prea ai cum să o compari cu altceva: are propria primărie (nucleul) cu o grămadă de alte instituții, fiecare specializată pe treaba ei, astfel încât celula să poată supraviețui.

O celulă eucariotă animală. Vezi cât de complexă e? ©ScienceControl.com
O celulă eucariotă animală. Vezi cât de complexă e?
©ScienceControl.com

În consecință, celula eucariotă este mult mult mai complexă și mult mai mare decât cea procariotă, pentru că are o grămadă de organite celulare și mai ales pentru că are un nucleu bine definit. Celulele eucariote sunt de două feluri: cele animale (imaginea alăturată) și cele vegetale. Din domeniul eukaryota fac parte regnurile: amoebae (amibele), plantae, chromalveolata, rhizaria, excavata, fungi și animalia.

Să zicem că avem un oraș numit CelulaEucariotăAnimalăsburg. Care ar fi principalele componente ale acestuia?

1. Membrana celulară

Este o peliculă fină compusă din proteine care ține celula. Ea este zidul de protecție al orașului, un zid care protejează (în majoritatea cazurilor) de virusuri și alte amenințări din exterior. La fel ca un zid de protecție, aceasta are și niște porți prin care ies sau intră diverse substanțe.

2. Citoplasma

Este fluidul care umple toată celula și în care sunt suspendate toate organitele celulare. Culmea, și ea poate să producă ATP, deși mult mai puțin ca mitocondria: în schimbul unei glucoze produce 2 ATP.

3. Centrozomul

Este un organit celular care dă celulei forma ei și o ajută la reproducere. Centrozomul este, practic, gara centrală a celulei. Este Roma Imperiului Roman Celular, pentru că toate drumurile pornesc de la și duc la el.

Problema cu celulele procariote e că sunt mult mai mici decât celulele eucariote, asta pentru că dacă ar fi mai mari, proteinele nu ar mai ajunge în timp util unde trebuie. La procariote proteinele se disipează încet prin citoplasmă, dar dacă vrei să devii mai mare, ai nevoie de ceva mai mult, astfel încât proteinele să ajungă mai repede unde trebuie. Așa că centrozomul produce niște microtubuli și filamente care sunt practic șinele orașului CelulaEucariotăAnimalăsburg.

Pe aceste șine circulă proteinele care se plimbă de colo-colo, fiecare cu treaba ei, după cum primește instrucțiuni de la nucleu. Este o rețea de drumuri cu adevărat extinsă, ducând în cele mai îndepărtate colțuri ale celulei. De asemenea, microtubulii fixează organitele celulare din celulă, astfel încât sunt poziționate la fel în toate celulele. Cam cum avem noi toate organele poziționate la fel, susținute de schelet.

Împreună, microtubulii formează citoscheletul, care dă celulei forma ei și o menține. Este fix ca un schelet. Are un rol important în diviziunea celulară, formând o structură pe care se fixează cromozomii. De asemenea, lipsește de la neuroni, deci ei nu se pot divide.

4. Mitocondria

Salut! Am revenit la mitocondrie! Ea este uzina electrică a orașului. Ea produce cea mai mare parte din energia folosită de celulă pentru respirație și metabolism. Am spus mai sus că citoplasma produce 2 ATP la 1 glucoză? Ei bine, mitocondria produce 38 de ATP la o glucoză! Îți explic mai încolo se înseamnă toată chestia asta.

5. Nucleul

Aici se află primăria, centrul de comandă, unde se află ADN-ul care spune celulei ce și cum să facă. Fiind extraordinar de important, nucleul este înconjurat de o membrană dublă, tocmai pentru a-l proteja de toate procesele ce se petrec în celulă și în afara ei. E ca o primărie înconjurată de un două rânduri de ziduri, ca un castel. 

Majoritatea celulelor au un singur nucleu, dar există celule care fie nu au deloc nucleu (cum sunt globulele roșii), fie au mai multe nuclee.

6. Ribozomii

Dacă mitocondria este centrala electrică a orașului CelulaEucariotăAnimalăsburg, ribozomii sunt fabricile. Aceștia primesc de la nucleu diverse instrucțiuni (sub formă de ARN mesager), iar pe baza lor iau diverși aminoacizi pe care îi potrivește cumva și din care fac proteine ce folosesc celulei. După cum ai văzut mai sus, ribozomii se găsesc și în celula procariotă.

7. Reticulul endoplasmatic

Este în esență firma de curierat a celulei eucariote. Practic, el planifică ruta și trimite diverse proteine în toată citoplasma unde e nevoie de ele, dar trimite și proteinele sintetizate de ribozomi către aparatul Golgi, unde urmează să fie împachetate.

Se împarte în: Reticulul endoplasmatic rugos care se ocupă cu transportul proteinelor și în plus, produce membrane, pe care apoi le trimite unde e nevoie. Tot el poate modifica proteinele primite, în funcție de instructiuni. Reticulul endoplasmatic neted implicat în procese metabolice, ca de exemplu sinteza de lipide, metabolismul carbohidraților și detoxificarea drogurilor și otrăvurilor. Produce și steroizii, de exemplu steroizii sexuali la vertebrate și steroizii secretați de glandele adrenale. (p-asta am copiat-o direct de pe Wikipedia, că mi se făcuse somn)

8. Aparatul Golgi

Organitul ăsta celular este centrul de logistică. El primește de la reticulul endoplasmatic proteinele cu adresa unde trebuie trimise, le ia, le împachetează, le etichetează și le trimite mai departe în celulă sau în afara ei.

9. Lizozomii

Sunt gunoierii celulei, cum ar veni. Ceva de genul ăsta. Ei se ocupă cu distrugerea corpurilor străine din celulă sau cu organitele celulare bătrâne care au ajuns la capătul vieții.

Ce viață plină și ocupată în orașul CelulaEucariotăAnimalăsburg! În orașul vecin, CelulaEucariotăPlantănești, sunt cam aceleași instituții și fabrici, dar cu mici diferențe.

O celulă eucariotă vegetală.
O celulă eucariotă vegetală. ©Encyclopaedia Britannica

Cele mai notabile sunt faptul că celula eucariotă din plante are un perete celular care este mult mai gros ca membrana celulei animale. De asemenea, are o formă fixă rectangulară și prezintă cloroplaste (am vorbit despre ele în postarea Cad frunze: povestea unui copac în prag de iarnă). Pe lângă asta, celula vegetală are o uriașă vacuolă în interiorul său, adică un rezervor de apă și nutrienți. Vacuolele se găsesc în general și în celula animală, dar sunt mult mult mai mici.

Timeo Danaos et dona ferentes! 

Cine nu știe povestea calului troian? E foarte relevantă pentru noi în momentul ăsta, pentru că fix chestia asta se întâmplă adesea și când vine vorba de războiul dintre virusuri și celule. Sunt unele virusuri (precum cel al poliomielitei sau Hepatitei C) care păcălesc celula că sunt substanțe nutritive. Celula, bucuroasă de oaspeți, lasă garda jos, deschide porțile din membrană, iar virusul intră în oraș și începe să dea totul peste cap. Chestia asta se numește intrare via endocitoză și e doar unul din felurile prin care un virus poate intra într-o celulă.

CelulaEucariotăAnimalăsburg
CelulaEucariotăAnimalăsburg

 ATP

Am mai vorbit în postarea Să pui Lumea în mișcare despre cum orice corp din Univers deține și despre cum orice mișcare cât de mică necesită energie. Firește, nici noi nu facem excepție de la această regulă și avem nevoie de ea pentru absolut orice chestie pe care o facem.

Chiar și atunci când dormim corpul lucrează din greu și necesită constant energie. Toate cele 37 de trilioane de celule din corpul tău au în mod constant nevoie de energie pentru a funcționa și pentru a face proteinele necesare. Cum facem rost de ea?

tonomat-cafeaÎn momentul în care mâncăm, obținem diferiți compuși organici care au energie. Corpul uman preferă glucoza (care este zahăr), dar marea problemă e că celulele nu pot folosi glucoza aia așa pur și simplu. Uite, imaginează-ți că ai o bancnotă de 5 lei în buzunar și vrei să îți iei și tu niște cafea (nu contează câtă) de la tonomat.

Marea problemă e că tonomatul acceptă DOAR monezi de 50 de bani. Presupunând că ești un om cumsecade și care urmează diverse convenții sociale, nu o să începi să iei tonomatul la șuturi, ci o să te duci să schimbi hârtia de 5 lei în monezi de 50 de bani, pentru că tu chiar vrei cafeaua aia nenorocită. Te duci, schimbi bancnota de 5 lei pe câte monezi de 50 de bani vrei tu, îți cumperi cafeaua, ești fericit.

Hârtia de 5 lei este de fapt glucoza, iar monezile de 50 de bani sunt moleculele de ATP (adenozintrifosfat)ATP-ul este cunoscut ca fiind moneda de schimb a vieții. Celulele nu pot folosi pur și simplu energia din glucoză, ci trebuie să o transforme cumva. Procesul ăsta se numește respirație celulară și are loc în mitocondrii: ele iau glucoza, o descompun și din ea fac mai multe molecule de ATP. Fix ca și cum ai face schimb de bani!

Acum înțelegi? D-aia spuneam mai sus că citoplasma scoate 2 ATP dintr-o moleculă de glucoză, iar mitocondria scoate 38 ATP dintr-o moleculă de glucoză.

Molecula de ATP este formată dintr-o bază (adenină, cu roșu), o riboză (magenta) și un lanț de fosfați (albastru).
Molecula de ATP este formată dintr-o bază (adenină, cu roșu), o riboză (magenta) și un lanț de fosfați (albastru, asta e partea cea mai importantă).

Mai departe, moleculele de ATP sunt transportate unde este nevoie și se întâmplă ceva mișto. În molecula de ATP fosfații ăștia (formula chimică e PO4) sunt așezați în așa fel încât nu sunt mulțumiți deloc de felul în care stau și abia așteaptă să scape unul de celălalt, deci au o grămadă de energie chimică potențială.

Dacă scoți ultimul grup de fosfat din capătul moleculei (un P cu trei de O, în imagine), molecula o să elibereze o energie de 7000 de calorii per mol (30,6 kJ/mol – cam cât are o arahidă). Energia asta este apoi folosită pentru a pune în mișcare diverse procese din corp (de exemplu, să ți se contracte mușchii).

Dar ce se întâmplă cu molecula de ATP? Acum că i s-a luat grupul de fosfat din capăt, ea nu moare, se transformă în ADP (adenozindifosfat), care se duce înapoi la mitocondrie. Acolo ea o să primească înapoi un grup de fosfat ca să se facă la loc în ATP, putând transporta din nou energie în celulă.

Sfânta Cruce.
Sfânta Cruce, fosfatul (PO4).

În privința asta, ATP-ul poate fi imaginat și ca o baterie reîncărcabilă, pentru că o moleculă de ATP poate să stocheze energia primită de la glucoză pentru mai încolo, nu e nevoie să fie folosită imediat ce este produsă. Chestia asta de care vorbim se întâmplă, firește, doar în celula eucariotă.

Și celula procariotă folosește ATP, dar aici el este făcut de enzime atașate de membrana ei. Astfel, celula procariotă poate fi autotrofă (poate produce energie de una singură) sau heterotrofă (are nevoie de mâncare pentru a produce energie).

Faptul că ATP-ul este o baterie universală ce stochează energie explică de ce fosfații sunt un ingredient foarte important în dieta tuturor viețuitoarelor. Fertilizanții moderni conțin adesea compuși din fosfor extrași din oasele animalelor. Acești compuși sunt folosiți de plante pentru a face ATP. Apoi noi mâncăm aceste plante, metabolizăm fosforul din ele și facem propriul ATP. Când murim, fosforul nostru intră din nou în ecosistem, iar ciclul se reia.

 Mai mulți, mai bine

Dacă te-ai gândi vreodată “ce aș fi vrut să văd și eu cum e să fii o celulă eucariotă!”, astăzi e ziua ta norocoasă. Una din cele mai fascinante informații pe care le-am aflat scriind postarea asta e că fiecare dintre noi a fost la începutul vieții, pentru vreo 30 de minute, o singură celulă eucariotă. Nu, nu e o metaforă, nu e o comparație ca să exemplific vreun concept, este pe bune.

"Mamă, mamă, abia aștept să le stric nopțile părinților cu urletele mele!"
“Mamă, mamă, abia aștept să le stric nopțile părinților cu urletele mele!”

Ideea e că la un moment dat un spermatozoid de la tatăl tău a fuzionat cu un ovul de-al mamei tale, formând o singură celulă. După acel moment crucial în formarea ta, celula a stat un pic să se reculeagă. A stat vreo juma’ de oră, s-a gândit la absurdul existenței, iar apoi celula (adică tu) a început să se dividă rapid: din una au ieșit două, apoi din două au ieșit patru, din patru au ieșit opt și așa mai departe.


Din momentul în care au apărut, celulele eucariote au început să coopereze între ele, dar acum aproximativ 800 milioane de ani s-a întâmplat ceva ce a schimbat Viața pe Pământ pentru totdeauna: Natura a creat colonii de bacterii cu câteva sute milioane de ani în urmă, iar acum a decis să repete schema, dar de data asta cu celule eucariote. Asta se întâmpla acum vreo 1,5 miliarde de ani.

Faptul că Vieții i-au luat vreo 3 miliarde de ani ca să treacă din stadiul monocelular la cel pluricelular ne spune probabil că acesta este un pas foarte foarte dificil. A durat ceva până să ajungă la performanța asta, dar (după cum probabil știi deja), ăsta nu este sfârșitul poveștii celulelor. Ce s-a întâmplat mai încolo?

Celulele eucariote s-au adunat, s-a specializat fiecare pe ce a vrut (la fel ca un elev conștiincios de la Medicină) și au început să formeze organisme mai mari, mai complexe, mai rezistente. După niște miliarde de ani petrecute într-o relativă liniște, a început nebunia, debutând cu o veritabilă Debandadă în Cambrian.