Tema 71

Aquest tema recorre, de forma integrada, els fonaments de la biologia cel·lular: des del problema històric de l'origen de la vida fins a l'organització, el funcionament i la reproducció de la unitat estructural de tots els éssers vius, la cèl·lula. Encara que el seu contingut és de naturalesa biològica, ocupa un lloc de frontera en la formació científica del professorat, perquè la vida no és sinó química i física de la matèria organitzada: les mateixes lleis de la termodinàmica, la cinètica i l'enllaç químic que regeixen la matèria inerta governen també els processos vitals. Comprendre la cèl·lula exigeix, per tant, un domini previ de la base química de la matèria.

El tema s'articula en deu apartats que responen a les clàusules de l'enunciat oficial: l'origen de la vida, la teoria cel·lular, la base química de la vida, la cèl·lula i els seus orgànuls, les necessitats energètiques (respiració i fotosíntesi), la divisió cel·lular, els cromosomes i l'herència, les mutacions, la sensibilitat cel·lular i els éssers unicel·lulars.

1. L'origen de la vida

La qüestió de com va sorgir la vida a partir de la matèria inerta ha passat de l' especulació filosòfica a la investigació experimental. Durant segles va dominar la generació espontània, refutada pels experiments de Redi (segle XVII) i, de forma concloent, per Louis Pasteur (1862), que amb els seus matrassos de coll de cigne va demostrar que tot ésser viu procedeix d'un altre preexistent (biogènesi).

L'explicació acceptada hui és la teoria quimiosintètica d'Aleksandr Oparin (1924) i, de forma independent, John Haldane (1929). Postula que en la Terra primitiva, fa uns 3800–4000 milions d'anys, una atmosfera reductora (rica en $\mathrm{CH_4}$, $\mathrm{NH_3}$, $\mathrm{H_2}$ i $\mathrm{H_2O}$, sense oxigen lliure) i fonts d'energia com la radiació ultraviolada, les descàrregues elèctriques i el vulcanisme van permetre la síntesi abiòtica de molècules orgàniques senzilles, que es van acumular en els oceans formant l'anomenat brou primordial.

Aquesta hipòtesi va rebre suport experimental en 1953 amb el cèlebre experiment de Stanley Miller i Harold Urey, que van reproduir en el laboratori aquestes condicions i van obtenir aminoàcids i altres biomolècules. Oparin va proposar a més que aquestes molècules s'agregarien en coacervats (protobionts), sistemes amb membrana rudimentària capaços d'intercanviar matèria amb el medi. L'aparició posterior de molècules autoreplicants hauria donat el pas decisiu: la hipòtesi del món d'ARN suggereix que l'ARN, capaç alhora d'emmagatzemar informació i de catalitzar reaccions (ribozims), va precedir l'ADN i les proteïnes. Finalment, la teoria endosimbiòtica de Lynn Margulis (1967) explica l'origen de la cèl·lula eucariota: mitocondris i cloroplasts derivarien de bacteris procariotes englobats per una cèl·lula hoste amb la qual van establir una simbiosi permanent.

2. La teoria cel·lular

La teoria cel·lular és un dels grans paradigmes unificadors de la biologia. La seua formulació va ser possible gràcies al perfeccionament del microscopi: Robert Hooke va observar i va anomenar les "cèl·lules" en el suro (1665) i Antonie van Leeuwenhoek va descriure els primers microorganismes vius. En el segle XIX, Matthias Schleiden (per a les plantes, 1838) i Theodor Schwann (per als animals, 1839) van generalitzar la idea que tots els organismes estan formats per cèl·lules. Rudolf Virchow va afegir en 1855 el principi omnis cellula e cellula: tota cèl·lula procedeix d'una altra preexistent.

Els seus postulats fonamentals, ja amb l'aportació de Virchow, són:

• La cèl·lula és la unitat estructural de tots els éssers vius: tots estan formats per una o més cèl·lules.
• És la unitat funcional: en ella tenen lloc les reaccions del metabolisme.
• És la unitat d'origen: tota cèl·lula procedeix, per divisió, d'una altra anterior.
• És la unitat genètica: conté el material hereditari que transmet a la seua descendència.

3. La base química de la vida

La matèria viva està constituïda pels mateixos elements que la inerta, però seleccionats i combinats de forma peculiar. Els bioelements primaris —C, H, O, N, P i S— constitueixen més del 96 % de la massa; el carboni és l'element vertebrador per la seua capacitat de formar quatre enllaços covalents i llargues cadenes. Existeixen a més bioelements secundaris (Ca, Na, K, Mg, Cl) i oligoelements (Fe, Zn, Cu, I…) presents en quantitats ínfimes però imprescindibles.

Aquests elements s'organitzen en biomolècules. Les inorgàniques són l'aigua i les sals minerals. L'aigua és el medi en què ocorre la vida: la seua molècula polar i la seua capacitat de formar ponts d'hidrogen li confereixen una elevada calor específica, un alt poder dissolvent i un paper actiu en moltes reaccions (hidròlisi). Les biomolècules orgàniques són quatre grans famílies:

• Glúcids: funció energètica i estructural. La glucosa, $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$, és el monosacàrid central; el midó, el glicogen i la cel·lulosa són polímers.
• Lípids: reserva energètica, components de membranes (fosfolípids) i funció reguladora (esteroides).
• Proteïnes: polímers d'aminoàcids amb funcions catalítiques (enzims), estructurals, de transport i de defensa. La seqüència d'aminoàcids (estructura primària) determina el seu plegament i la seua funció.
• Àcids nucleics: l'ADN emmagatzema la informació genètica i l'ARN intervé en la seua expressió. Són polímers de nucleòtids, i la seua especificitat rau en la seqüència de bases nitrogenades, complementàries entre si (adenina–timina i guanina–citosina en l'ADN).

4. La cèl·lula i els seus orgànuls

Existeixen dos tipus bàsics d'organització cel·lular. La cèl·lula procariota (bacteris i arqueus) manca de nucli i d'orgànuls membranosos: el seu material genètic, un únic cromosoma circular, es troba lliure en el citoplasma (nucleoide). La cèl·lula eucariota (protistes, fongs, plantes i animals) posseeix un nucli delimitat per embolcall i un complex sistema d'orgànuls.

Els principals components de la cèl·lula eucariota són:

• Membrana plasmàtica: bicapa lipídica amb proteïnes (model del mosaic fluid) que regula l'intercanvi de substàncies.
• Nucli: conté l'ADN organitzat en cromatina; en ell es localitza el nuclèol, on se sintetitzen els ribosomes.
• Mitocondris: seu de la respiració cel·lular i de la producció d'ATP.
• Cloroplasts (només en cèl·lules vegetals i algues): realitzen la fotosíntesi.
• Reticle endoplasmàtic (rugós i llis): síntesi de proteïnes i lípids.
• Aparell de Golgi: modifica, empaqueta i distribueix les proteïnes.
• Ribosomes: síntesi de proteïnes (traducció de l'ARN missatger).
• Lisosomes: digestió cel·lular mitjançant enzims hidrolítics.
• Vacúols: emmagatzematge (molt voluminosos en la cèl·lula vegetal).
• Citoesquelet: xarxa de filaments que dóna forma, sosteniment i permet el moviment.

Les cèl·lules vegetals presenten a més paret cel·lular de cel·lulosa, cloroplasts i un gran vacúol central, trets que les diferencien de les animals.

5. Les necessitats energètiques: respiració cel·lular i fotosíntesi

La vida és un sistema obert que manté el seu ordre a costa d'un flux continu d'energia. El metabolisme engloba el conjunt de reaccions cel·lulars: les catabòliques (degradació de molècules complexes amb alliberament d'energia) i les anabòliques (síntesi, que consumeix energia). La moneda energètica que les connecta és l'ATP (adenosina trifosfat), la hidròlisi del qual allibera energia:

$$\mathrm{ATP} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{ADP} + \mathrm{P_i}, \qquad \Delta G^{0\prime} \approx -30{,}5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$$

La respiració cel·lular aeròbica oxida la glucosa fins a $\mathrm{CO_2}$ i aigua, alliberant l'energia emmagatzemada en els seus enllaços:

$$\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \rightarrow 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}, \qquad \Delta G^{0\prime} \approx -2870\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$$

Transcorre en tres etapes: la glicòlisi (en el citoplasma, escindeix la glucosa en dues molècules de piruvat amb rendiment net de $2$ ATP i $2$ NADH), el cicle de Krebs (en la matriu mitocondrial, que allibera $\mathrm{CO_2}$ i coenzims reduïts) i la cadena de transport d'electrons amb la fosforilació oxidativa (en la membrana mitocondrial interna), on el $\mathrm{O_2}$ actua com a acceptor final d'electrons. El rendiment total és d'unes $30$–$38$ molècules d' ATP per glucosa. En absència d'oxigen, la cèl·lula recorre a la fermentació (làctica o alcohòlica), molt menys eficient:

$$\mathrm{C_6H_{12}O_6} \rightarrow 2\,\mathrm{C_2H_5OH} + 2\,\mathrm{CO_2}$$

La fotosíntesi és el procés invers en el balanç global: els organismes autòtrofs capten energia lluminosa per a sintetitzar matèria orgànica a partir de $\mathrm{CO_2}$ i aigua, alliberant oxigen:

$$6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \xrightarrow{\text{llum}} \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$$

Consta d'una fase lluminosa (en els tilacoides del cloroplast), on la clorofil·la absorbeix la llum, es trenca l'aigua (fotòlisi, amb despreniment d' $\mathrm{O_2}$) i es produeixen ATP i NADPH; i una fase fosca o cicle de Calvin (en l'estroma), que fixa el $\mathrm{CO_2}$ per a formar glucosa. La fotosíntesi és la porta d'entrada de l'energia a la biosfera i l'origen de l' oxigen atmosfèric.

6. La divisió cel·lular

Tota cèl·lula procedeix de la divisió d'una altra. El cicle cel·lular comprèn la interfase —subdividida en $G_1$ (creixement), $S$ (replicació de l'ADN) i $G_2$ (preparació)— i la fase M o de divisió. La replicació semiconservativa de l'ADN en la fase S garanteix que cada cèl·lula filla reba una còpia idèntica de la informació genètica.

La mitosi és la divisió del nucli que reparteix el material genètic duplicat entre dues cèl·lules filles genèticament idèntiques a la progenitora. Es divideix en quatre etapes: profase (condensació dels cromosomes i desaparició de l' embolcall nuclear), metafase (els cromosomes s'alineen en la placa equatorial), anafase (separació de les cromàtides germanes cap als pols) i telofase (reconstrucció dels nuclis). La divisió del citoplasma (citocinesi) completa el procés. La mitosi assegura el creixement, la renovació de teixits i la reproducció asexual.

La meiosi, pròpia de la formació de gàmetes, consta de dues divisions successives i redueix a la meitat el nombre de cromosomes (de cèl·lula diploide $2n$ a gàmetes haploides $n$). Durant la meiosi es produeix l'entrecreuament (recombinació genètica) i el repartiment a l'atzar dels cromosomes, fonts essencials de la variabilitat sobre la qual actua la selecció natural.

7. Els cromosomes i la transmissió de l'herència

En la cèl·lula eucariota l'ADN s'associa a proteïnes (histones) formant la cromatina, que es condensa durant la divisió en cromosomes. Cada cromosoma porta nombrosos gens, unitats d'informació que codifiquen caràcters. El conjunt de gens constitueix el genotip; la seua manifestació observable, el fenotip, resulta de la interacció entre genotip i ambient.

Les bases de l'herència van ser establertes per Gregor Mendel (1865) a partir dels seus experiments amb pèsols, que li van permetre formular les seues lleis:

• 1a llei (uniformitat): l'encreuament de dues races pures dóna una descendència uniforme en el primer filial.
• 2a llei (segregació): els dos al·lels de cada caràcter se separen en formar els gàmetes i es reparteixen independentment.
• 3a llei (transmissió independent): els caràcters distints s'hereten de forma independent entre si.

El redescobriment de Mendel en 1900 i la posterior identificació de l'ADN com a suport material del gen —culminada amb el model de doble hèlix de Watson i Crick (1953)— van integrar la genètica mendeliana amb la biologia molecular en l' anomenada teoria cromosòmica de l'herència.

8. Les mutacions

Una mutació és una alteració del material genètic que pot transmetre's a la descendència (si afecta les cèl·lules germinals). Constitueixen la font última de variabilitat genètica i la matèria primera de l'evolució. Segons el seu abast es classifiquen en:

• Gèniques o puntuals: canvis en la seqüència de nucleòtids d'un gen (substitucions, insercions o delecions de bases).
• Cromosòmiques: alteracions de l'estructura dels cromosomes (delecions, duplicacions, inversions i translocacions).
• Genòmiques: canvis en el nombre de cromosomes, ja siga de cromosomes solts (aneuploïdies, com la trisomia 21) o de jocs complets (poliploïdies, freqüents en plantes).

Poden ser espontànies (errors de la replicació) o induïdes per agents mutàgens físics (radiacions ionitzants i ultraviolada), químics o biològics. La majoria són neutres o perjudicials, però unes poques resulten avantatjoses i, seleccionades positivament, impulsen l'adaptació de les espècies.

9. La sensibilitat cel·lular

La sensibilitat o irritabilitat és la capacitat de la cèl·lula per a detectar canvis en el seu medi (estímuls) i respondre-hi, una propietat essencial per a la supervivència. La detecció corre a càrrec de receptors, generalment proteïnes de membrana que reconeixen senyals específics (molècules, llum, pressió) i desencadenen una resposta mitjançant processos de transducció de senyal.

En els organismes unicel·lulars, la resposta sol traduir-se en moviments orientats anomenats taxias: quimiotaxi (cap a nutrients o allunyant-se de tòxics), fototaxi (resposta a la llum) o galvanotaxi. En els pluricel·lulars, la sensibilitat s'especialitza en cèl·lules receptores i, sobretot, en les neurones, capaços de generar i propagar l'impuls nerviós —una ona de despolarització de la membrana deguda al flux d'ions $\mathrm{Na^+}$ i $\mathrm{K^+}$— que constitueix la base dels sistemes nerviós i sensorial. La sensibilitat cel·lular és, per tant, el fonament últim de tota la coordinació dels éssers vius.

10. Els éssers unicel·lulars

Molts organismes completen totes les seues funcions vitals amb una sola cèl·lula. Es distribueixen en diversos grans grups:

• Bacteris (domini Bacteria) i arqueus (domini Archaea): procariotes d' enorme diversitat metabòlica. Intervenen en cicles biogeoquímics, fermentacions industrials, la flora intestinal i també en malalties. Els arqueus colonitzen ambients extrems (fonts hidrotermals, aigües hipersalines).
• Protozous: eucariotes heteròtrofs (amebes, parameci, flagel·lats), molts d' ells de vida lliure i altres paràsits.
• Algues unicel·lulars i altres protistes autòtrofs, base del fitoplàncton i principals productors d'oxigen dels oceans.
• Llevats: fongs unicel·lulars de gran importància en la indústria alimentària (pa, vi, cervesa) per la seua capacitat fermentadora.

Es reprodueixen principalment de forma asexual (bipartició, gemmació, esporulació), la qual cosa els permet un creixement poblacional molt ràpid. El seu paper ecològic és decisiu: reciclen la matèria, fixen nitrogen i carboni, i sostenen les cadenes tròfiques. A més, van ser les primeres formes de vida i d'elles deriven, per evolució, tots els organismes pluricel·lulars.

Aplicació didàctica

Encara que aquest temari correspon a l'especialitat de Física i Química, els seus continguts són de biologia cel·lular i troben el seu desenvolupament curricular en la matèria de Biologia i Geologia de l'ESO i del Batxillerat (Real Decreto 217/2022 i Real Decreto 243/2022, LOMLOE). La base química de la vida i les necessitats energètiques connecten de forma natural amb Física i Química, la qual cosa permet un tractament interdisciplinari (enllaços, reaccions, energia) molt valuós per a desenvolupar la competència STEM i la competència en pensament científic.

Els distints apartats es distribueixen al llarg de l'etapa: la cèl·lula i la teoria cel·lular en 1r d'ESO; la nutrició cel·lular, la reproducció i l'herència cap a 3r–4t d'ESO; i la seua formalització molecular en Biologia de Batxillerat. Metodologies com l'ús del microscopi, les situacions d'aprenentatge al voltant de la salut o el medi ambient, i les simulacions digitals resulten especialment eficaces.

Convé anticipar errors freqüents de l'alumnat: confondre respiració cel·lular amb respiració pulmonar; creure que les plantes només realitzen fotosíntesi i no respiren; interpretar la fotosíntesi com l'"invers exacte" de la respiració sense advertir que ocorren en orgànuls i amb rutes distintes; o entendre la mutació com un fenomen sempre negatiu. Explicitar aquestes idees prèvies i contrastar-les amb evidències és clau per a una comprensió sòlida.

Conclusió

La biologia cel·lular ofereix una visió unificada del que és viu: des de l'origen abiòtic de les primeres molècules fins a la sofisticada organització de la cèl·lula eucariota, tots els éssers vius comparteixen una mateixa base química, una mateixa unitat estructural i funcional —la cèl·lula—, uns mateixos mecanismes d'obtenció d'energia (respiració i fotosíntesi) i un mateix llenguatge genètic, la transmissió i variació del qual (herència i mutacions) expliquen la continuïtat i l' evolució de la vida. Comprendre que aquests processos no són sinó manifestacions de les lleis físiques i químiques de la matèria organitzada constitueix una de les grans síntesis de la ciència contemporània i un fonament imprescindible per a la formació científica de l'alumnat.