ПРОИЗХОД НА КЛЕТКАТА: ОСНОВНИ ТЕОРИИ (ПРОКАРИОТИЧНИ И ЕУКАРИОТИЧНИ) - БИОЛОГИЯ - 2025

В произхода на клетъчните датира от повече от 3,5 милиарда години. Начинът, по който възникват тези функционални единици, буди любопитството на учените в продължение на няколко века.

Произходът на живота сам по себе си е придружен от произхода на клетките. В примитивна среда условията на околната среда бяха много различни от тези, които наблюдаваме днес. Концентрацията на кислород беше практически нулева, а атмосферата беше доминирана от друг състав от газове.

Източник: pixabay.com

Различните преживявания в лабораторията показват, че при първоначалните условия на околната среда на Земята е възможна полимеризацията на различни биомолекули, характерни за органичните системи, а именно: аминокиселини, захари и др.

Молекула с каталитичен капацитет и да се репликира (потенциално, РНК) може да бъде затворена във фосфолипидна мембрана, образувайки първите примитивни прокариотни клетки, които се развиват в съответствие с принципите на Дарвин.

По същия начин, произходът на еукариотната клетка обикновено се обяснява с помощта на ендосимбиотичната теория. Тази идея подкрепя, че голяма бактерия е погълнала по-малка и с течение на времето са възникнали органелите, които познаваме днес (хлоропласти и митохондрии).

Клетъчната теория

Клетката е термин, който идва от латинското кореново клетъчно, което означава кухо. Това са функционалните и структурни единици на живите същества. Терминът е използван за първи път през 17-ти век от изследователя Робърт Хук, когато той изследва лист корк под светлината на микроскоп и наблюдава един вид клетки.

С това откритие повече учени - по-специално приноса на Теодор Шван и Матиас Шлейден - се интересуват от микроскопичната структура на живата материя. По този начин се роди един от най-важните стълбове на биологията: клетъчната теория.

Теорията твърди, че: (а) всички органични същества са съставени от клетки; (б) клетките са единица живот; в) химичните реакции, които поддържат живота, се проявяват в границите на клетката и (г) целият живот идва от съществуващия живот.

Този последен постулат е обобщен в известната фраза на Рудолф Вирхов: "omnis cellula e cellula" - всички клетки са получени от други вече съществуващи клетки. Но откъде дойде първата клетка? По-нататък ще опишем основните теории, които се стремят да обяснят произхода на първите клетъчни структури.

Еволюция на прокариотната клетка

Произходът на живота е явление, тясно свързано с произхода на клетките. На земята има две клетъчни форми на живот: прокариоти и еукариоти.

И двете линии се различават основно по своята сложност и структура, като еукариотите са по-големи и по-сложни организми. Това не означава, че прокариотите са прости - един прокариотен организъм е организирана и сложна агломерация на различни молекулни комплекси.

Еволюцията на двата клона на живота е един от най-вълнуващите въпроси в света на биологията.

Хронологично животът се оценява на 3,5 до 3,8 милиарда години. Това се появи приблизително 750 милиона години след формирането на Земята.

Еволюция на ранните форми на живот: експериментите на Милър

В началото на 20-те години идеята, че органичните макромолекули могат да се полимеризират спонтанно при условията на околната среда на примитивна атмосфера - с ниски кислородни концентрации и високи концентрации на CO ₂ и N ₂, както и серия от на газове като Н ₂, H ₂ S, и СО.

Предполага се, че хипотетичната примитивна атмосфера осигурява редуцираща среда, която заедно с източник на енергия (като слънчева светлина или електрически заряди) създава условия, благоприятни за полимеризацията на органичните молекули.

Тази теория е потвърдена експериментално през 1950 г. от изследователя Стенли Милър по време на неговото завършване.

Необходимостта от молекула със самовъзпроизвеждащи се и каталитични свойства: светът на РНК

След уточняване на необходимите условия за образуването на молекулите, които намираме във всички живи същества, е необходимо да се предложи примитивна молекула със способността да съхранява информация и да се репликира - настоящите клетки съхраняват генетична информация на език от четири нуклеотиди в молекулата на ДНК.

Към днешна дата най-добрият кандидат за тази молекула е РНК. Едва през 1980 г. изследователите Сид Алтман и Том Чех откриха каталитичните възможности на тази нуклеинова киселина, включително полимеризацията на нуклеотиди - критична стъпка в еволюцията на живота и клетките.

Поради тези причини се смята, че животът започва да използва РНК като генетичен материал, а не ДНК, както по-голямата част от сегашните форми.

Ограничаване на бариерите на живота: фосфолипиди

След като са получени макромолекулите и молекулата, способна да съхранява информация и да се размножава, съществуването на биологична мембрана е необходимо, за да се определят границите между живата и извънклетъчната среда. Еволюционно тази стъпка бележи началото на първите клетки.

Смята се, че първата клетка е възникнала от РНК молекула, която е била затворена от мембрана, изградена от фосфолипиди. Последните са амфипатни молекули, което означава, че едната част е хидрофилна (разтворима във вода), а другата част е хидрофобна (не е разтворима във вода).

Когато фосфолипидите се разтварят във вода, те имат способността да се агрегират спонтанно и да образуват липиден двуслоен. Полярните глави са групирани с лице към водната среда и хидрофобните опашки вътре, в контакт една с друга.

Тази бариера е термодинамично стабилна и създава отделение, което позволява отделянето на клетката от извънклетъчната среда.

С течение на времето РНК, затворена в липидната мембрана, продължи своя еволюционен път, следвайки дарвинистките механизми - до представянето на сложни процеси като синтеза на протеини.

Еволюция на метаболизма

След формирането на тези примитивни клетки започна развитието на метаболитните пътища, които познаваме днес. Най-правдоподобният сценарий за произхода на първите клетки е океанът, така че първите клетки успяха да получат храна и енергия директно от околната среда.

Когато храната стане оскъдна, някои клетъчни варианти трябваше да се появят с алтернативни методи за получаване на храна и генериране на енергия, което им позволява да продължат репликацията си.

Генерирането и контрола на клетъчния метаболизъм са от съществено значение за неговата приемственост. Всъщност основните метаболитни пътища са широко запазени сред съвременните организми. Например, както бактерията, така и бозайникът извършват гликолиза.

Предложено е производството на енергия да се развива на три етапа, като се започне с гликолиза, последвана от фотосинтеза и завършва с окислителен метаболизъм.

Тъй като в примитивната среда липсваше кислород, е вероятно, че ранните метаболитни реакции протичат без него.

Еволюция на еукариотната клетка

Клетките бяха уникално прокариотни до преди около 1,5 милиарда години. На този етап се появяват първите клетки с истинско ядро ​​и самите органели. Най-известната теория в литературата, която обяснява еволюцията на органелите, е ендосимбиотичната теория (ендо означава вътрешна).

Организмите не са изолирани в тяхната среда. Биологичните общности представят множество взаимодействия, както антагонистични, така и синергични. Чадър термин, използван за различни взаимодействия, е симбиоза - преди се използва само за взаимни отношения между два вида.

Взаимодействията между организмите имат важни еволюционни последици и най-драматичният пример за това е ендосимбиотичната теория, която е предложена за първи път от американския изследовател Лин Маргулис през 80-те години.

Постулати на ендосимбиотичната теория

Според тази теория някои еукариотни органели - като хлоропласти и митохондрии - първоначално са били прокариотни прокариотни организми. В определен момент от еволюцията прокариотът е погълнат от по-голям, но не е усвоен. Вместо това той оцелява и е в капан в по-големия организъм.

В допълнение към оцеляването, времената за възпроизвеждане между двата организма бяха синхронизирани, успявайки да преминат към следващите поколения.

В случая на хлоропластите, засегнатият организъм показва всички ензимни машини за извършване на фотосинтеза, снабдявайки по-големия организъм с продуктите на тези химични реакции: монозахариди. В случая на митохондриите се приема, че погълнатият прокариот може да бъде α-протеобактерии по предци.

Потенциалната идентичност на по-големия гостоприемник обаче е открит въпрос в литературата.

Обгърнатият прокариотен организъм загуби клетъчната си стена и през цялата еволюция претърпява съответните модификации, които произлизат от съвременните органели. Това по същество е ендосимбиотичната теория.

Доказателства за ендосимбиотичната теория

Понастоящем има множество факти, които подкрепят теорията за ендосимбиозата, а именно: (а) размерът на текущите митохондрии и хлоропласти е подобен на този на прокариотите; (б) тези органели имат свой генетичен материал и синтезират част от протеините, въпреки че не са напълно независими от ядрото и (в) има множество биохимични сходства между двете биологични образувания.

Предимства да бъдете еукариотични

Еволюцията на еукариотните клетки е свързана с редица предимства пред прокариотите. Увеличаването на размера, сложността и отделението позволява бързото развитие на новите биохимични функции.

След пристигането на еукариотната клетка дойде многоклетъчност. Ако клетката "иска" да се възползва от предимствата на по-голям размер, тя не може просто да расте, тъй като повърхността на клетката трябва да е голяма по отношение на обема си.

По този начин организмите с повече от една клетка успяха да увеличат размера си и да разпределят задачите между множеството клетки, които ги съставят.

Препратки

1. Altstein, AD (2015). Прогеновата хипотеза: нуклеопротеиновият свят и как е започнал животът. Biology Direct, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). Предложен модел за пребиотична еволюция: Използването на хаос. Трудове на Националната академия на науките, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Биология: Животът на Земята. Pearson образование.
4. Campbell, AN, & Reece, JB (2005). Биология. Редакция Médica Panamericana.
5. Гама, М. (2007). Биология 1: конструктивистки подход. Pearson Education.
6. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Многостепенна селекция в модели на пребиотична еволюция: отделения и пространствена самоорганизация. Произход на живота и еволюцията на биосферата, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). Произходът и ранната еволюция на живота: пребиотична химия, пред-РНК свят и време. Клетка, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K., & Alfonzo, J. (2016). От пребиотици до пробиотици: Еволюцията и функциите на тРНК модификациите. Живот, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF и ​​Szostak, JW (2010). Произходът на клетъчния живот. Перспективи на студеното пролетно пристанище в биологията, a002212.
10. Silvestre, DA, & Ftanatanari, JF (2008). Пакетни модели и информационната криза на пребиотичната еволюция. Списание за теоретична биология, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P., & Mavelli, F. (2015). Модели на протоклетки в произхода на живота и синтетична биология. Живот, 5 (4), 1700–1702.