Margulis es autora de la teoría de la simbiogenésis, que explica el origen de las primeras células con núcleo, a partir de la fusión de bacterias primitivas, hace miles de millones de años.
Según esta teoría, las endosimbiosis seriadas acaban provocando una transferencia de material genético entre los organismos participantes, de modo que se forma un nuevo organismo que incorpora los simbiontes que lo originaron.
La teoría endosimbiótica, propone que las células eucariotas -con núcleo- (células de animales, plantas, hongos y protoctistas) se habrían originado a partir de diferentes células procariotas -sin núcleo- (bacterias) mediante una relación simbiótica que llegó a ser permanente. Según Margulis, estas células procariotas originan las mitocondrias, los cloroplastos y otros orgánulos.
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