Le cellule procariotiche furono tra le prime forme di vita sulla Terra. Sono apparse per la prima volta nei reperti fossili di circa 4 miliardi di anni fa. I procarioti erano già nei paraggi molto, molto prima delle cellule eucariotiche che apparvero circa 1.8 miliardi di anni fa. Questo ci ha portato a pensare che l’antenato di tutte le cellule eucariotiche fosse un procariote.

Ma per passare da procariotica ad eucariotica, la cellula è dovuta diventare molto più complicata. Le cellule eucariotiche sono alimentate da speciali organelli che lavorano un po’ come delle batterie. Tutti gli eucarioti hanno un organello, chiamato mitocondrio, che produce l’energia necessaria ad alimentare la cellula. Le cellule vegetali hanno un altro tipo di organello, chiamato plastidio. I plastidi raccolgono l’energia dalla luce solare, come una batteria solare. I cloroplasti sono un tipo di plastidio.

Cos’è la teoria endosimbiontica?

Come hanno fatto gli eucarioti a diventare così complicati? E da dove vengono questi organelli-batteria?

Pensiamo di conoscere parte della risposta. Le cellule eucariotiche potrebbero infatti essersi evolute quando più cellule si sono riunite all’interno di una sola. Queste hanno cominciato a vivere in quelle che chiamiamo relazioni simbiotiche. La teoria che spiega come questo sia potuto accadere è chiamata teoria endosimbiontica. Un endosimbionte è un organismo che vive all’interno di un altro. Tutte le cellule eucariotiche, come le tue, sono creature costituite da parti di altre creature.

I mitocondri ed i cloroplasti sono entrambi organelli che una volta erano cellule libere. I mitocondri una volta erano procarioti che finirono all’interno di altre cellule (cellule ospite). Sia i mitocondri sia i cloroplasti potrebbero essere entrati in una cellula venendo mangiati (un processo chiamato fagocitosi), oppure, forse, erano parassiti di quella cellula ospite.

Piuttosto che essere digerita o uccisa dalla cellula ospite, la cellula procariotica è sopravvissuta ed insieme prosperarono. È un po’ come per un padrone di casa ed un inquilino. La cellula ospite fornisce uno spazio confortevole e sicuro per vivere e gli organelli pagano l’affitto fornendo energia che la cellula ospite può usare. Questo accadde molto tempo fa e con il tempo gli organelli e la cellula ospite si sono evoluti insieme. Ora l’uno non potrebbe esistere senza l’altro. Oggigiorno cellula opite ed organelli funzionano come un organismo singolo, ma, se guardiamo da vicino, possiamo ancora trovare delle prove del passato trascorso singolarmente degli organelli.

Quali prove supportano la teoria endosimbiontica?

Già nel 1883 il botanico Andreas Schimper osservava gli organelli plastidici delle cellule vegetali utilizzando un microscopio. Guardò i plastidi dividersi e notò qualcosa di strano. Il processo sembrava molto simile al modo in cui i batteri si dividevano.

Durante gli anni ’50 e ’60 gli scienziati scoprirono che sia i mitocondri sia i plastidi all’interno delle cellule vegetali avevano il loro DNA. Questo DNA era diverso dal resto del DNA della cellula vegetale. Quando gli scienziati guardarono più da vicino i geni nel DNA mitocondriale e plastidico scoprirono che i geni erano molto simili a quelli dei procarioti. Questo ci dice che gli organelli sono strettamente correlati ai procarioti.

I cloroplasti verdi nella cellula rappresentano una parte cruciale della cellula vegetale. Eppure si sono evoluti da un organismo interamente diverso dalla cellula vegetale. Si pensa che il cloroplasto si sia sviluppato a partire da una cellula cianobatterica che è riuscita a sopravvivere alle difese della cellula.

Sappiamo anche che diverse membrane avvolgono gli organelli. Se analizziamo le molecole di queste membrane, esse assomigliano alle membrane che avvolgono i procarioti di oggi.

Dunque, gli organelli hanno il proprio DNA ed i loro geni sono molto simili a quelli dei procarioti odierni. Questi organelli possiedono membrane che assomigliano a quelle dei procarioti e sembrano anche dividersi e replicarsi in un modo simile. Se una cellula eucariotica dovesse perdere un mitocondrio o un cloroplasto, questo non potrebbe venir ricostruito. Ogni cellula eucariotica deve quindi ereditare almeno una copia di questi organelli dalla cellula madre per sopravvivere. Ciò significa che l’informazione genetica necessaria per creare gli organelli non si trova nel DNA della cellula eucariotica. Tutte queste prove supportano la teoria secondo la quale gli organelli provengono dall’esterno della cellula eucariotica. Crediamo che questo indichi che una volta gli organelli erano dei procarioti che vivevano come singoli organismi.

Uno scienziato chiamato Lynn Margulis mise tutte queste informazioni assieme e le pubblicò nel 1967. Il suo scritto si chiama “Sulle origini delle cellule mitotiche”. Le cellule mitotiche sono cellule eucariotiche. Oggi gli scienziati sono consapevoli di quanto il suo scritto sia importante, tuttavia, ci sono voluti molti anni prima che la teoria venisse accettata.

Ma la nostra storia dell’evoluzione delle cellule eucariotiche è ben lontana dall’essere completa. Non abbiamo parlato di tutte le altre strutture che possiamo trovare nelle cellule eucariotiche, ma non in quelle procariotiche, e come si sono evolute. Queste includono il nucleo, l’apparato di Golgi, il reticolo endoplasmatico, i lisosomi ed il citoscheletro.

Da dove vengono? La verità è che non ne siamo ancora sicuri. Potrebbero essersi evolute nel tempo all’interno delle cellule eucariotiche, oppure potrebbero essere anche il risultato di altri eventi endosimbiontici passati. Come si sono evoluti è ancora un problema che deve essere risolto. 

Altre immagini tramite Wikimedia Commons. Cianobatteri filamentosi, tramite Sally Warring.