POCHODZENIE KOMÓRKI: GŁÓWNE TEORIE (PROKARIOTYCZNE I EUKARIOTYCZNE) - BIOLOGIA - 2025

Pochodzenie komórek sięga ponad 3,5 miliarda lat. Sposób, w jaki powstawały te jednostki funkcjonalne, wzbudzał ciekawość naukowców od kilku stuleci.

Powstaniu życia jako takiego towarzyszyło pochodzenie komórek. W prymitywnym środowisku warunki środowiskowe bardzo różniły się od tych, które obserwujemy dzisiaj. Stężenie tlenu było praktycznie zerowe, a atmosfera była zdominowana przez inny skład gazów.

Źródło: pixabay.com

Różne doświadczenia laboratoryjne wykazały, że w początkowych warunkach środowiskowych Ziemi możliwa jest polimeryzacja różnych biomolekuł charakterystycznych dla układów organicznych, a mianowicie: aminokwasów, cukrów itp.

Cząsteczka o zdolności katalitycznej i zdolnej do replikacji (potencjalnie RNA) mogłaby zostać otoczona błoną fosfolipidową, tworząc pierwsze prokariotyczne komórki, które wyewoluowały zgodnie z zasadami darwinizmu.

Podobnie pochodzenie komórki eukariotycznej jest zwykle wyjaśniane za pomocą teorii endosymbiotycznej. Pomysł ten potwierdza, że ​​duża bakteria pochłonęła mniejszą i wraz z upływem czasu zapoczątkowały znane nam dzisiaj organelle (chloroplasty i mitochondria).

Teoria komórki

Komórka to termin wywodzący się z łacińskiego korzenia cellula, co oznacza pusty. Są to funkcjonalne i strukturalne jednostki żywych istot. Po raz pierwszy termin ten został użyty w XVII wieku przez badacza Roberta Hooke'a, kiedy badał arkusz korka pod mikroskopem i obserwował rodzaj komórek.

Dzięki temu odkryciu więcej naukowców - zwłaszcza wkład Theodora Schwanna i Matthiasa Schleidena - zainteresowało się mikroskopową strukturą żywej materii. W ten sposób narodził się jeden z najważniejszych filarów biologii: teoria komórki.

Teoria głosi, że: (a) wszystkie istoty organiczne składają się z komórek; (b) komórki są jednostką życia; (c) reakcje chemiczne, które podtrzymują życie, zachodzą w granicach komórki i (d) całe życie pochodzi z wcześniej istniejącego życia.

Ten ostatni postulat podsumowuje słynne zdanie Rudolfa Virchowa: „omnis cellula e cellula” - wszystkie komórki pochodzą z innych już istniejących komórek. Ale skąd się wzięła pierwsza komórka? Następnie opiszemy główne teorie, które mają na celu wyjaśnienie pochodzenia pierwszych struktur komórkowych.

Ewolucja komórki prokariotycznej

Pochodzenie życia jest zjawiskiem ściśle związanym z pochodzeniem komórek. Na Ziemi istnieją dwie komórkowe formy życia: prokarionty i eukarionty.

Obie linie różnią się zasadniczo pod względem złożoności i struktury, przy czym eukarionty są większymi i bardziej złożonymi organizmami. Nie oznacza to, że prokarioty są proste - pojedynczy organizm prokariotyczny jest zorganizowaną i złożoną aglomeracją różnych kompleksów molekularnych.

Ewolucja obu gałęzi życia jest jednym z najbardziej ekscytujących pytań w świecie biologii.

Chronologicznie, życie szacuje się na 3,5 do 3,8 miliarda lat. Pojawiło się to około 750 milionów lat po powstaniu Ziemi.

Ewolucja wczesnych form życia: eksperymenty Millera

Na początku lat dwudziestych XX wieku pomysł, że makrocząsteczki organiczne mogą spontanicznie polimeryzować w warunkach środowiskowych prymitywnej atmosfery - przy niskich stężeniach tlenu i wysokich stężeniach CO ₂ i N ₂ , a także szereg gazów, takich jak H ₂ , H ₂ S i CO.

Przyjmuje się, że hipotetyczna prymitywna atmosfera zapewniła środowisko redukujące, które wraz ze źródłem energii (np. Światłem słonecznym czy wyładowaniami elektrycznymi) tworzyło warunki sprzyjające polimeryzacji cząsteczek organicznych.

Teoria ta została potwierdzona eksperymentalnie w 1950 roku przez badacza Stanleya Millera podczas jego studiów magisterskich.

Potrzeba cząsteczki o właściwościach samoreplikujących i katalitycznych: świat RNA

Po określeniu warunków niezbędnych do powstania cząsteczek, które znajdujemy we wszystkich żywych istotach, konieczne jest zaproponowanie prymitywnej cząsteczki zdolnej do przechowywania informacji i replikacji - obecne komórki przechowują informacje genetyczne w języku czterech nukleotydy w cząsteczce DNA.

Do tej pory najlepszym kandydatem na tę cząsteczkę jest RNA. Dopiero w 1980 roku naukowcy Sid Altman i Tom Cech odkryli katalityczne właściwości tego kwasu nukleinowego, w tym polimeryzację nukleotydów - krytyczny krok w ewolucji życia i komórek.

Z tych powodów uważa się, że życie zaczęło wykorzystywać RNA jako materiał genetyczny, a nie DNA, jak robi to ogromna większość obecnych form.

Ograniczanie barier życia: fosfolipidy

Po uzyskaniu makrocząsteczek i cząsteczki zdolnej do przechowywania informacji i samoreplikacji konieczne jest istnienie błony biologicznej, aby określić granice między żywym a środowiskiem pozakomórkowym. Ten krok ewolucyjnie wyznaczył pochodzenie pierwszych komórek.

Uważa się, że pierwsza komórka powstała z cząsteczki RNA otoczonej błoną zbudowaną z fosfolipidów. Te ostatnie są cząsteczkami amfipatycznymi, co oznacza, że ​​jedna część jest hydrofilowa (rozpuszczalna w wodzie), a druga część jest hydrofobowa (nierozpuszczalna w wodzie).

Rozpuszczone w wodzie fosfolipidy mają zdolność spontanicznej agregacji i tworzenia dwuwarstwy lipidowej. Polarne głowy są zgrupowane w kierunku środowiska wodnego, a hydrofobowe ogony wewnątrz, stykają się ze sobą.

Ta bariera jest stabilna termodynamicznie i tworzy przedział, który umożliwia oddzielenie komórki od środowiska zewnątrzkomórkowego.

Wraz z upływem czasu RNA zamknięty w błonie lipidowej kontynuował swoją ewolucyjną ścieżkę zgodnie z mechanizmami darwinowskimi - aż do zaprezentowania złożonych procesów, takich jak synteza białek.

Ewolucja metabolizmu

Gdy uformowały się te prymitywne komórki, rozpoczął się rozwój szlaków metabolicznych, które znamy dzisiaj. Najbardziej prawdopodobnym scenariuszem powstania pierwszych komórek jest ocean, więc pierwsze komórki były w stanie pozyskiwać żywność i energię bezpośrednio ze środowiska.

Kiedy brakowało pożywienia, musiały pojawić się pewne warianty komórek z alternatywnymi metodami pozyskiwania pożywienia i wytwarzania energii, która pozwoliła im kontynuować replikację.

Generowanie i kontrola metabolizmu komórkowego są niezbędne dla jego ciągłości. W rzeczywistości główne szlaki metaboliczne są powszechnie chronione wśród obecnych organizmów. Na przykład zarówno bakteria, jak i ssak przeprowadzają glikolizę.

Zaproponowano, że wytwarzanie energii ewoluowało w trzech etapach, począwszy od glikolizy, następnie fotosyntezy, a skończywszy na metabolizmie oksydacyjnym.

Ponieważ prymitywne środowisko nie miało tlenu, jest prawdopodobne, że wczesne reakcje metaboliczne przebiegały bez niego.

Ewolucja komórki eukariotycznej

Komórki były wyjątkowo prokariotyczne aż do około 1,5 miliarda lat temu. Na tym etapie pojawiły się pierwsze komórki z prawdziwym jądrem i same organelle. Najbardziej znaną w literaturze teorią wyjaśniającą ewolucję organelli jest teoria endosymbiotyczna (endo oznacza wewnętrzny).

Organizmy nie są izolowane w swoim środowisku. Społeczności biologiczne wykazują wiele interakcji, zarówno antagonistycznych, jak i synergicznych. Ogólnym terminem używanym w odniesieniu do różnych interakcji jest symbioza - dawniej używana tylko dla wzajemnych relacji między dwoma gatunkami.

Interakcje między organizmami mają ważne konsekwencje ewolucyjne, a najbardziej dramatycznym tego przykładem jest teoria endosymbiotyczna, która została pierwotnie zaproponowana przez amerykańską badaczkę Lynn Margulis w latach 80.

Postulaty teorii endosymbiotycznej

Zgodnie z tą teorią, niektóre organelle eukariotyczne - takie jak chloroplasty i mitochondria - były początkowo wolno żyjącymi organizmami prokariotycznymi. W pewnym momencie ewolucji prokariota został połknięty przez większego, ale nie został strawiony. Zamiast tego przeżył i został uwięziony w większym organizmie.

Oprócz przeżycia, czasy rozmnażania między dwoma organizmami zostały zsynchronizowane, dzięki czemu udało się przejść na kolejne pokolenia.

W przypadku chloroplastów pochłonięty organizm wykazywał całą maszynerię enzymatyczną do przeprowadzenia fotosyntezy, dostarczając większemu organizmowi produkty tych reakcji chemicznych: cukry proste. W przypadku mitochondriów postuluje się, że pochłonięty prokariot może być przodkiem α-proteobakterią.

Jednak potencjalna tożsamość większego organizmu żywiciela jest w literaturze otwartą kwestią.

Pochłonięty organizm prokariotyczny stracił ścianę komórkową i podczas ewolucji przeszedł stosowne modyfikacje, które zapoczątkowały współczesne organelle. W istocie jest to teoria endosymbiotyczna.

Dowody na teorię endosymbiotyczną

Obecnie istnieje wiele faktów potwierdzających teorię endosymbiozy, a mianowicie: (a) rozmiar obecnych mitochondriów i chloroplastów jest podobny do prokariotów; (b) te organelle mają własny materiał genetyczny i syntetyzują część białek, chociaż nie są całkowicie niezależne od jądra oraz (c) istnieje wiele podobieństw biochemicznych między obiema jednostkami biologicznymi.

Zalety bycia eukariotycznym

Ewolucja komórek eukariotycznych wiąże się z szeregiem zalet w porównaniu z prokariotami. Wzrost wielkości, złożoność i podział na przedziały umożliwiły szybką ewolucję nowych funkcji biochemicznych.

Po przybyciu komórki eukariotycznej pojawiła się wielokomórkowość. Jeśli komórka „chce” czerpać korzyści z większego rozmiaru, nie może po prostu rosnąć, ponieważ powierzchnia komórki musi być duża w stosunku do jej objętości.

W ten sposób organizmy z więcej niż jedną komórką były w stanie zwiększyć swój rozmiar i rozdzielić zadania między wiele komórek, które je tworzą.

Bibliografia

1. Altstein, AD (2015). Hipoteza progenu: świat nukleoprotein i początek życia. Biology Direct, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). Sugerowany model ewolucji prebiotycznej: Zastosowanie chaosu. Proceedings of the National Academy of Sciences, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G. i Byers, BE (2003). Biologia: Życie na Ziemi. Edukacja Pearson.
4. Campbell, AN i Reece, JB (2005). Biologia. Artykuł redakcyjny Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). Biologia 1: podejście konstruktywistyczne. Edukacja Pearson.
6. Hogeweg, P. i Takeuchi, N. (2003). Selekcja wielopoziomowa w modelach ewolucji prebiotyków: przedziały i samoorganizacja przestrzenna. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A. i Miller, SL (1996). Pochodzenie i wczesna ewolucja życia: chemia prebiotyków, świat pre-RNA i czas. Celi, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K. i Alfonzo, J. (2016). Od prebiotyków do probiotyków: ewolucja i funkcje modyfikacji tRNA. Życie, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF i Szostak, JW (2010). Początki życia komórkowego. Perspektywy Cold Spring Harbor w biologii, a002212.
10. Silvestre, DA i Fontanari, JF (2008). Modele opakowań i kryzys informacyjny ewolucji prebiotyków. Journal of theoretical biology, 252 (2), 326–337.
11. Stano, P. i Mavelli, F. (2015). Modele protokomórek w pochodzeniu życia i biologii syntetycznej. Życie, 5 (4), 1700–1702.