3.2: Fundamentos de la Teoría Celular Moderna

Objetivos de aprendizaje

• Explicar los puntos clave de la teoría celular y las contribuciones individuales de Hooke, Schleiden, Schwann, Remak y Virchow
• Explicar los puntos clave de la teoría endosimbiótica y citar la evidencia que sustenta este concepto
• Explicar las contribuciones de Semmelweis, Snow, Pasteur, Lister y Koch al desarrollo de la teoría de los gérmenes

Mientras algunos científicos discutían sobre la teoría de la generación espontánea, otros científicos estaban haciendo descubrimientos que condujeron a una mejor comprensión de lo que ahora llamamos la teoría celular. La teoría celular moderna tiene dos principios básicos:

• Todas las células solo provienen de otras células (el principio de biogénesis).
• Las células son las unidades fundamentales de los organismos.

Hoy, estos principios son fundamentales para nuestra comprensión de la vida en la tierra. Sin embargo, la teoría celular moderna surgió del trabajo colectivo de muchos científicos.

Los orígenes de la teoría celular

El científico inglés Robert Hooke utilizó por primera vez el término “células” en 1665 para describir las pequeñas cámaras dentro del corcho que observó bajo un microscopio de su propio diseño. Para Hooke, las secciones delgadas de corcho se parecían a “Peine de miel” o “Cajas pequeñas o vejigas de aire”. Señaló que cada “Caverna, Burbuja o Célula” era distinta de las demás (Figura\(\PageIndex{1}\)). En su momento, Hooke no estaba consciente de que las celdas de corcho estaban muertas hace mucho tiempo y, por lo tanto, carecían de las estructuras internas que se encuentran dentro de las células vivas.

Figura\(\PageIndex{1}\): Robert Hooke (1635—1703) fue el primero en describir células a partir de sus observaciones microscópicas del corcho. Esta ilustración fue publicada en su obra Micrographia.

A pesar de la descripción temprana de Hooke de las células, aún no se reconoció su importancia como unidad fundamental de la vida. Casi 200 años después, en 1838, Matthias Schleiden (1804—1881), un botánico alemán que realizó extensas observaciones microscópicas de tejidos vegetales, los describió como compuestos de células. Visualizar las células vegetales fue relativamente fácil porque las células vegetales están claramente separadas por sus gruesas paredes celulares. Schleiden creía que las células se formaban a través de la cristalización, más que por división celular.

Theodor Schwann (1810—1882), un destacado fisiólogo alemán, realizó observaciones microscópicas similares del tejido animal. En 1839, tras una conversación con Schleiden, Schwann se dio cuenta de que existían similitudes entre los tejidos vegetales y animales. Esto sentó las bases para la idea de que las células son los componentes fundamentales de las plantas y los animales.

En la década de 1850, dos científicos polacos que vivían en Alemania impulsaron esta idea más allá, culminando en lo que hoy reconocemos como la teoría celular moderna. En 1852, Robert Remak (1815—1865), un destacado neurólogo y embriólogo, publicó pruebas convincentes de que las células se derivan de otras células como resultado de la división celular. Sin embargo, esta idea fue cuestionada por muchos en la comunidad científica. Tres años después, Rudolf Virchow (1821-1902), un respetado patólogo, publicó un ensayo editorial titulado “Patología celular”, que popularizó el concepto de teoría celular utilizando la frase latina omnis cellula a cellula (“todas las células surgen de las células”), que es esencialmente el segundo principio de la teoría celular moderna. ¹ Dada la similitud del trabajo de Virchow con el de Remak, existe cierta controversia sobre qué científico debe recibir crédito por articular la teoría celular. Consulta la siguiente función Ojo en la Ética para más información sobre esta controversia.

Ciencia y plagio

Rudolf Virchow, un destacado científico alemán nacido en Polonia, a menudo es recordado como el “Padre de la Patología”. Conocido por sus enfoques innovadores, fue uno de los primeros en determinar las causas de diversas enfermedades al examinar sus efectos en tejidos y órganos. También fue de los primeros en utilizar animales en su investigación y, como resultado de su trabajo, fue el primero en nombrar numerosas enfermedades y creó muchos otros términos médicos. A lo largo de su carrera, publicó más de 2 mil artículos y dirigió diversas instalaciones médicas importantes, entre ellas la Charité — Universitätsmedizin Berlin, un destacado hospital y escuela de medicina de Berlín. Pero es, quizás, mejor recordado por su ensayo editorial de 1855 titulado “Patología celular”, publicado en Archiv für Pathologische Anatomie und Physiologie, una revista que el propio Virchow cofundó y que aún existe hoy en día.

A pesar de su importante legado científico, existe cierta controversia respecto a este ensayo, en el que Virchow propuso el principio central de la teoría celular moderna: que todas las células surgen de otras células. Robert Remak, un ex colega que trabajaba en el mismo laboratorio que Virchow en la Universidad de Berlín, había publicado la misma idea 3 años antes. Aunque parece que Virchow estaba familiarizado con el trabajo de Remak, olvidó acreditar las ideas de Remak en su ensayo. Cuando Remak escribió una carta a Virchow señalando similitudes entre las ideas de Virchow y las suyas propias, Virchow fue despectivo. En 1858, en el prefacio de uno de sus libros, Virchow escribió que su publicación de 1855 era solo una pieza editorial, no un artículo científico, y así no había necesidad de citar la obra de Remak.

Figura\(\PageIndex{2}\): a) Rudolf Virchow (1821—1902) popularizó la teoría celular en un ensayo de 1855 titulado “Patología celular”. b) La idea de que todas las células se originan de otras células fue publicada por primera vez en 1852 por su contemporáneo y ex colega Robert Remak (1815-1865).

Para los estándares actuales, la pieza editorial de Virchow sin duda sería considerada un acto de plagio, ya que presentó las ideas de Remak como propias. Sin embargo, en el ^siglo XIX, los estándares de integridad académica eran mucho menos claros. La fuerte reputación de Virchow, aunada al hecho de que Remak era judío en un clima político algo antisemita, lo apantalló de cualquier repercusión significativa. Hoy en día, el proceso de revisión por pares y la facilidad de acceso a la literatura científica ayudan a desalentar el plagio. Si bien los científicos todavía están motivados para publicar ideas originales que avancen el conocimiento científico, quienes considerarían plagiar son muy conscientes de las graves consecuencias.

En la academia, el plagio representa el robo tanto del pensamiento individual como de la investigación, una ofensa que puede destruir reputaciones y acabar con las carreras. ^{2 3 4 5}

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

1. ¿Cuáles son los puntos clave de la teoría celular?
2. ¿Qué contribuciones hicieron Rudolf Virchow y Robert Remak al desarrollo de la teoría celular?

Teoría Endosimbiótica

A medida que los científicos avanzaban hacia la comprensión del papel de las células en los tejidos vegetales y animales, otros estaban examinando las estructuras dentro de las propias células. En 1831, el botánico escocés Robert Brown (1773—1858) fue el primero en describir observaciones de núcleos, que observó en células vegetales. Entonces, a principios de la década de 1880, el botánico alemán Andreas Schimper (1856-1901) fue el primero en describir los cloroplastos de las células vegetales, identificando su papel en la formación del almidón durante la fotosíntesis y señalando que se dividieron independientemente del núcleo.

Basándose en la capacidad de reproducción independiente de los cloroplastos, el botánico ruso Konstantin Mereschkowski (1855-1921) sugirió en 1905 que los cloroplastos pueden haberse originado a partir de bacterias fotosintéticas ancestrales que viven simbióticamente dentro de una célula eucariota. Propuso un origen similar para el núcleo de células vegetales. Esta fue la primera articulación de la hipótesis endosimbiótica, y explicaría cómo evolucionaron las células eucariotas a partir de bacterias ancestrales.

La hipótesis endosimbiótica de Mereschkowski fue promovida por el anatomista estadounidense Ivan Wallin (1883—1969), quien comenzó a examinar experimentalmente las similitudes entre mitocondrias, cloroplastos y bacterias, es decir, para poner a prueba la hipótesis endosimbiótica mediante investigación objetiva. Wallin publicó una serie de artículos en la década de 1920 apoyando la hipótesis endosimbiótica, incluyendo una publicación de 1926 en coautoría con Mereschkowski. Wallin afirmó que podía cultivar mitocondrias fuera de sus células hospedadoras eucariotas. Muchos científicos descartaron sus cultivos de mitocondrias como resultado de la contaminación bacteriana. El trabajo moderno de secuenciación genómica apoya a los científicos disidentes al demostrar que gran parte del genoma de las mitocondrias se había transferido al núcleo de la célula hospedadora, impidiendo que las mitocondrias pudieran vivir solas. ^{6 7}

Las ideas de Wallin sobre la hipótesis endosimbiótica fueron ignoradas en gran medida durante los siguientes 50 años porque los científicos no sabían que estos orgánulos contenían su propio ADN. Sin embargo, con el descubrimiento del ADN mitocondrial y cloroplasto en la década de 1960, se resucitó la hipótesis endosimbiótica. Lynn Margulis (1938—2011), genetista estadounidense, publicó sus ideas sobre la hipótesis endosimbiótica de los orígenes de las mitocondrias y los cloroplastos en 1967. ⁸ En la década previa a su publicación, los avances en microscopía habían permitido a los científicos diferenciar las células procariotas de las células eucariotas. En su publicación, Margulis revisó la literatura y argumentó que los orgánulos eucariotas como las mitocondrias y los cloroplastos son de origen procariota. Presentó un creciente cuerpo de datos microscópicos, genéticos, de biología molecular, fósiles y geológicos para respaldar sus afirmaciones.

Nuevamente, esta hipótesis no fue inicialmente popular, pero la creciente evidencia genética debido al advenimiento de la secuenciación del ADN respaldó la teoría endosimbiótica, que ahora se define como la teoría de que las mitocondrias y los cloroplastos surgieron como resultado de que las células procariotas establecieran una relación simbiótica dentro de una hospedador eucariota (Figura\(\PageIndex{3}\)). Con la teoría endosimbiótica inicial de Margulis ganando amplia aceptación, amplió la teoría en su libro de 1981 Simbiosis en la evolución celular. En ella, explica cómo la endosimbiosis es un importante factor impulsor en la evolución de los organismos. La secuenciación genética y el análisis filogenético más recientes muestran que el ADN mitocondrial y el ADN de cloroplastos están altamente relacionados con sus homólogos bacterianos, tanto en la secuencia de ADN como en la estructura cromosómica. Sin embargo, el ADN mitocondrial y el ADN de cloroplastos se reducen en comparación con el ADN nuclear porque muchos de los genes se han trasladado de los orgánulos al núcleo de la célula huésped. Adicionalmente, los ribosomas mitocondriales y cloroplastos son estructuralmente similares a los ribosomas bacterianos, más que a los ribosomas eucariotas de sus huéspedes. Por último, la fisión binaria de estos orgánulos se asemeja mucho a la fisión binaria de bacterias, en comparación con la mitosis realizada por células eucariotas. Desde la propuesta original de Margulis, los científicos han observado varios ejemplos de endosimbiontes bacterianos en células eucariotas modernas. Los ejemplos incluyen las bacterias endosimbióticas que se encuentran dentro de las tripas de ciertos insectos, como las cucarachas, ⁹ y orgánulos fotosintéticos similares a bacterias que se encuentran en los protistas. ¹⁰

Figura\(\PageIndex{3}\): Según la teoría endosimbiótica, las mitocondrias y los cloroplastos se derivan cada una de la captación de bacterias. Estas bacterias establecieron una relación simbiótica con su célula hospedadora que finalmente condujo a que las bacterias evolucionaran hacia mitocondrias y cloroplastos.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

1. ¿Qué afirma la teoría endosimbiótica moderna?
2. ¿Qué evidencia sustenta la teoría endosimbiótica?

La teoría germinal de la enfermedad

Previo al descubrimiento de microbios durante el ^siglo XVII, circularon otras teorías sobre los orígenes de la enfermedad. Por ejemplo, los antiguos griegos propusieron la teoría del miasma, que sostenía que la enfermedad se originaba a partir de partículas que emanaban de la materia en descomposición, como la de aguas negras o pozos negros. Tales partículas infectaron a humanos muy cerca del material podrido. Se pensaba que enfermedades como la Peste Negra, que asoló a la población europea durante la Edad Media, se originaron de esta manera.

En 1546, el médico italiano Girolamo Fracastoro propuso, en su ensayo De Contagione et Contagiosis Morbis, que las esporas parecidas a semillas pueden transferirse entre individuos a través del contacto directo, exposición a ropa contaminada, o a través del aire. Ahora reconocemos a Fracastoro como uno de los primeros defensores de la teoría germinal de la enfermedad, que establece que las enfermedades pueden ser el resultado de una infección microbiana. Sin embargo, en el siglo XVI, las ideas de Fracastoro no fueron ampliamente aceptadas y quedarían en gran parte olvidadas hasta el siglo XIX.

En 1847, el obstetra húngaro Ignaz Semmelweis (Figura\(\PageIndex{4}\)) observó que las madres que dieron a luz en salas hospitalarias atendidas por médicos y estudiantes de medicina tenían más probabilidades de sufrir y morir de fiebre puerperal después del parto (tasa de mortalidad del 10% al 20%) que las madres en salas atendidas por parteras ( 1% tasa de mortalidad). Semmelweis observó a estudiantes de medicina que realizaban autopsias y posteriormente realizaban exámenes vaginales en pacientes vivos sin lavarse las manos en el medio. Sospechó que los estudiantes portaban enfermedad desde las autopsias hasta los pacientes que examinaban. Sus sospechas fueron apoyadas por la muerte prematura de una amiga, un médico que contrajo una herida fatal después de un examen post mortem de una mujer que había muerto de una infección puerperal. La herida del médico muerto había sido causada por un bisturí utilizado durante el examen, y su posterior enfermedad y muerte coincidieron estrechamente con la del paciente muerto.

Si bien Semmelweis no conocía la verdadera causa de la fiebre puerperal, propuso que los médicos de alguna manera transfirieran el agente causal a sus pacientes. Sugirió que el número de casos de fiebre puerperal podría reducirse si los médicos y estudiantes de medicina simplemente se lavaran las manos con agua de cal clorada antes y después de examinar a cada paciente. Cuando se implementó esta práctica, la tasa de mortalidad materna en madres atendidas por médicos bajó a la misma tasa de mortalidad de 1% observada entre las madres atendidas por parteras. Esto demostró que el lavado de manos fue un método muy efectivo para prevenir la transmisión de enfermedades. A pesar de este gran éxito, muchos descontaron el trabajo de Semmelweis en su momento, y los médicos tardaron en adoptar el sencillo procedimiento de lavado de manos para prevenir infecciones en sus pacientes porque contradecía las normas establecidas para ese periodo de tiempo.

Figura\(\PageIndex{4}\): Ignaz Semmelweis (1818—1865) fue un defensor de la importancia del lavado de manos para evitar la transferencia de enfermedades entre pacientes por parte de los médicos.

Casi al mismo tiempo que Semmelweis promovía el lavado de manos, en 1848, el médico británico John Snow realizó estudios para rastrear la fuente de los brotes de cólera en Londres. Al rastrear los brotes a dos fuentes de agua específicas, ambas contaminadas por aguas residuales, Snow finalmente demostró que las bacterias del cólera se transmitían a través del agua potable. El trabajo de Snow es influyente ya que representa el primer estudio epidemiológico conocido, y resultó en la primera respuesta de salud pública conocida a una epidemia. El trabajo tanto de Semmelweis como de Snow refutó claramente la teoría predominante del miasma del día, demostrando que la enfermedad no solo se transmite por el aire sino también a través de artículos contaminados.

Si bien el trabajo de Semmelweis y Snow mostró con éxito el papel del saneamiento en la prevención de enfermedades infecciosas, no se entendió completamente la causa de la enfermedad. El trabajo posterior de Louis Pasteur, Robert Koch y Joseph Lister corroboraría aún más la teoría germinal de la enfermedad.

Mientras estudiaba las causas del deterioro de la cerveza y el vino en 1856, Pasteur descubrió propiedades de la fermentación por microorganismos. Había demostrado con sus experimentos en matraz de cuello de cisne (enlace) que los microbios transportados en el aire, no la generación espontánea, eran la causa del deterioro de los alimentos, y sugirió que si los microbios eran responsables del deterioro de los alimentos y la fermentación, también podrían ser responsables de causar infección. Esta fue la base de la teoría germinal de la enfermedad.

En tanto, el cirujano británico Joseph Lister (Figura\(\PageIndex{5}\)) estaba tratando de determinar las causas de las infecciones postquirúrgicas. Muchos médicos no dieron crédito a la idea de que los microbios en sus manos, en su ropa o en el aire podrían infectar las heridas quirúrgicas de los pacientes, a pesar de que el 50% de los pacientes quirúrgicos, en promedio, estaban muriendo de infecciones postquirúrgicas. ¹¹ Lister, sin embargo, estaba familiarizado con el trabajo de Semmelweis y Pasteur; por lo tanto, insistió en lavarse las manos y una limpieza extrema durante la cirugía. En 1867, para disminuir aún más la incidencia de infecciones de heridas postquirúrgicas, Lister comenzó a usar desinfectante en spray de ácido carbólico (fenol) /antiséptico durante la cirugía. Sus esfuerzos extremadamente exitosos para reducir la infección posquirúrgica provocaron que sus técnicas se convirtieran en una práctica médica estándar.

Pocos años después, Robert Koch (Figura\(\PageIndex{5}\)) propuso una serie de postulados (postulados de Koch) basados en la idea de que la causa de una enfermedad específica podría atribuirse a un microbio específico. Utilizando estos postulados, Koch y sus colegas pudieron identificar definitivamente los patógenos causantes de enfermedades específicas, como el ántrax, la tuberculosis y el cólera. El concepto de “un microbio, una enfermedad” de Koch fue la culminación del cambio de paradigma del siglo XIX, alejándose de la teoría del miasma hacia la teoría germinal de la enfermedad. Los postulados de Koch se discuten más a fondo en Cómo los patógenos causan enfermedades.

Figura\(\PageIndex{5}\): a) Joseph Lister desarrolló procedimientos para el cuidado adecuado de las heridas quirúrgicas y la esterilización del equipo quirúrgico. b) Robert Koch estableció un protocolo para determinar la causa de la enfermedad infecciosa. Ambos científicos contribuyeron significativamente a la aceptación de la teoría germinal de la enfermedad.

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

1. Comparar y contrastar la teoría miasma de la enfermedad con la teoría germinal de la enfermedad.
2. ¿Cómo contribuyó el trabajo de Joseph Lister al debate entre la teoría del miasma y la teoría de gérmenes y cómo esto incrementó el éxito de los procedimientos médicos?

Enfoque Clínico: Parte 2

Después de sufrir fiebre, congestión, tos y aumentar los dolores y molestias durante varios días, Bárbara sospecha que tiene un caso de gripe. Decide visitar el centro de salud de su universidad. El PA le dice a Bárbara que sus síntomas podrían deberse a una variedad de enfermedades, como influenza, bronquitis, neumonía o tuberculosis.

Durante su examen físico, la AP señala que la frecuencia cardíaca de Bárbara está ligeramente elevada. Usando un oxímetro de pulso, un pequeño dispositivo que se sujeta en su dedo, descubre que Bárbara tiene hipoxemia, un nivel de oxígeno en la sangre inferior a lo normal. Usando un estetoscopio, el PA escucha sonidos anormales producidos por el corazón, los pulmones y el sistema digestivo de Barbara. Mientras Bárbara respira, el PA escucha un crujido y nota una ligera falta de aliento. Recolecta una muestra de esputo, señalando el color verdoso del moco, y ordena una radiografía de tórax, que muestra una “sombra” en el pulmón izquierdo. Todos estos signos son sugestivos de neumonía, condición en la que los pulmones se llenan de moco (Figura\(\PageIndex{6}\)).

Figura\(\PageIndex{6}\): Se trata de una radiografía de tórax típica de la neumonía. Debido a que las imágenes de rayos X son imágenes negativas, una “sombra” se ve como un área blanca dentro del pulmón que de otro modo debería ser negra. En este caso, el pulmón izquierdo muestra una sombra como resultado de bolsas en el pulmón que se han llenado de líquido. (crédito dejado: modificación de obra de “Christaras A” /Wikimedia Commons)

Ejercicio\(\PageIndex{4}\)

¿Qué tipos de agentes infecciosos se sabe que causan neumonía?

Figura\(\PageIndex{7}\): (crédito “matraz de cuello de cisne”: modificación de obra por Wellcome Images)

Conceptos clave y resumen

• Aunque las células fueron observadas por primera vez en la década de 1660 por Robert Hooke, la teoría celular no fue bien aceptada por otros 200 años. El trabajo de científicos como Schleiden, Schwann, Remak y Virchow contribuyó a su aceptación.
• La teoría endosimbiótica afirma que las mitocondrias y cloroplastos, orgánulos que se encuentran en muchos tipos de organismos, tienen su origen en bacterias. La información estructural y genética significativa sustenta esta teoría.
• La teoría miasma de la enfermedad fue ampliamente aceptada hasta el siglo XIX, cuando fue reemplazada por la teoría germinal de la enfermedad gracias al trabajo de Semmelweis, Snow, Pasteur, Lister y Koch, y otros.

Notas al pie

1. 1 M. Schultz. “Rudolph Virchow”. Enfermedades Infecciosas Emergentes 14 núm. 9 (2008) :1480—1481.
2. 2 B. Kisch. “Líderes olvidados en Medicina Moderna, Valentin, Gouby, Remak, Auerbach”. Transacciones de la Sociedad Filosófica Americana 44 (1954) :139—317.
3. 3 H. Harris. El nacimiento de la célula. New Haven, CT: Prensa de la Universidad de Yale, 2000:133.
4. 4 C. Webster (ed.). Biología, Medicina y Sociedad 1840-1940. Cambridge, Reino Unido; Cambridge University Press, 1981:118 —119.
5. 5 C. Zuchora-Walske. Descubrimientos clave en ciencias de la vida. Minneapolis, MN: Lerner Publishing, 2015:12 —13.
6. 6 T. Embley, W. Martin. “Evolución eucariota, cambios y desafíos”. Naturaleza Vol. 440 (2006) :623—630.
7. 7 O.G. Berg, C.G. Kurland. “Por qué los genes mitocondriales se encuentran con mayor frecuencia en los núcleos”. Biología Molecular y Evolución 17 núm. 6 (2000) :951—961.
8. 8 L. Sagan. “Sobre el origen de las células mitosantes”. Revista de Biología Teórica 14 núm. 3 (1967) :225—274.
9. 9 A.E. Douglas. “La dimensión microbiana en la ecología nutricional de insectos”. Ecología Funcional 23 (2009) :38—47.
10. 10 J.M. Jaynes, L.P. Vernon. “La cianela de Cyanophora paradoxa: Casi un cloroplasto cianobacteriano”. Tendencias en Ciencias Bioquímicas 7 núm. 1 (1982) :22—24.
11. 11 Alexander, J. Wesley. “Las contribuciones del control de infecciones a un siglo de progreso” Anales de Cirugía 201:423-428, 1985.