LĄSTELĖS KILMĖ: PAGRINDINĖS TEORIJOS (PROKARIOTINĖS IR EUKARIOTINĖS) - BIOLOGIJA - 2025

Iš ląstelių kilmės datuojamas daugiau nei 3,5 milijardo metų. Šių funkcinių vienetų atsiradimo būdas kelis šimtmečius sukėlė mokslininkų smalsumą.

Gyvybės kilmę per savaime lydėjo ląstelių kilmė. Primityvioje aplinkoje aplinkos sąlygos labai skyrėsi nuo to, ką mes stebime šiandien. Deguonies koncentracija buvo praktiškai lygi nuliui, o atmosferoje vyravo kita dujų sudėtis.

Šaltinis: pixabay.com

Skirtinga laboratorijos patirtis parodė, kad pradinėmis Žemės aplinkos sąlygomis įmanoma polimerizuoti įvairias organinėms sistemoms būdingas biomolekules, būtent: aminorūgštis, cukrų ir kt.

Molekulė, turinti katalizinį pajėgumą ir galinti replikuoti save (potencialiai RNR), galėtų būti aptverta fosfolipidų membranoje, sudarydama pirmąsias primityvias prokariotines ląsteles, kurios išsivystė laikantis Darvino principų.

Panašiai eukariotinių ląstelių kilmė paprastai paaiškinama naudojant endosimbiotikų teoriją. Ši idėja patvirtina, kad didelė bakterija apėmė mažesnę ir ilgainiui atsirado šiandien žinomi organeliai (chloroplastai ir mitochondrijos).

Ląstelių teorija

Ląstelė yra terminas, kilęs iš lotyniškos šaknies ląstelės, reiškiančios tuščiavidurę. Tai yra gyvųjų daiktų funkciniai ir struktūriniai vienetai. Pirmą kartą šis terminas buvo panaudotas tyrinėtojui Robertui Hooke'ui XVII amžiuje, kai mikroskopu jis tyrinėjo kamštienos lakštą ir stebėjo tam tikras ląsteles.

Po šio atradimo daugiau mokslininkų, ypač Theodoro Schwanno ir Matthiaso Schleideno indėlis, susidomėjo mikroskopine gyvosios medžiagos struktūra. Tokiu būdu gimė vienas svarbiausių biologijos ramsčių: ląstelių teorija.

Teorija teigia, kad: a) visas organines būtybes sudaro ląstelės; b) ląstelės yra gyvybės vienetas; c) cheminės reakcijos, palaikančios gyvybę, vyksta per ląstelę ir d) visa gyvybė atsiranda iš ankstesnio gyvenimo.

Šis paskutinis postulatas yra apibendrintas garsiojoje Rudolfo Virchowo frazėje: „omnis cellula e cellula“ - visos ląstelės yra gaunamos iš kitų jau esančių ląstelių. Bet iš kur atsirado pirmoji ląstelė? Toliau aprašysime pagrindines teorijas, kuriomis siekiama paaiškinti pirmųjų ląstelių struktūrų kilmę.

Prokariotų ląstelės evoliucija

Gyvybės kilmė yra reiškinys, glaudžiai susijęs su ląstelių kilme. Žemėje yra dvi ląstelinės gyvybės formos: prokariotai ir eukariotai.

Abi linijos iš esmės skiriasi savo sudėtingumu ir struktūra, eukariotai yra didesni ir sudėtingesni organizmai. Tai nereiškia, kad prokariotai yra paprasti - vienas prokariotinis organizmas yra organizuota ir sudėtinga įvairių molekulinių kompleksų aglomeracija.

Abiejų gyvenimo šakų evoliucija yra vienas įdomiausių klausimų biologijos pasaulyje.

Manoma, kad chronologiškai gyvenimas truks nuo 3,5 iki 3,8 milijardo metų. Tai atsirado maždaug po 750 milijonų metų nuo Žemės susiformavimo.

Ankstyvųjų gyvenimo formų evoliucija: Millerio eksperimentai

1920-ųjų pradžioje kilo mintis, kad organinės makromolekulės galėtų savaime polimerizuotis primityvios atmosferos sąlygomis - esant mažoms deguonies ir didelėms CO ₂ ir N ₂ koncentracijoms, taip pat iš dujų, tokių kaip H ₂ , H ₂ S, ir CO.

Manoma, kad hipotetinė primityvi atmosfera sudarė redukuojančią aplinką, kuri kartu su energijos šaltiniu (tokiais kaip saulės šviesa ar elektros iškrova) sudarė sąlygas sudaryti palankesnes sąlygas organinių molekulių polimerizacijai.

Šią teoriją 1950 m. Eksperimentiniu būdu patvirtino tyrėjas Stanley Milleris, studijuodamas magistrantūrą.

Molekulės, turinčios savaime besikartojančių ir katalizinių savybių, poreikis: RNR pasaulis

Nurodžius būtinas sąlygas susidaryti molekulėms, kurias randame visose gyvosiose būtybėse, būtina pasiūlyti primityvią molekulę, turinčią galimybę kaupti informaciją ir ją dauginti - dabartinės ląstelės genetinę informaciją saugo keturiomis kalbomis. nukleotidai DNR molekulėje.

Iki šiol geriausias šios molekulės kandidatas yra RNR. Tik 1980 m. Tyrėjai Sidas Altmanas ir Tomas Cechas atrado šios nukleorūgšties katalizinius gebėjimus, įskaitant nukleotidų polimerizaciją - kritinį gyvybės ir ląstelių evoliucijos žingsnį.

Manoma, kad dėl šių priežasčių RNR buvo naudojama kaip genetinė medžiaga, o ne DNR, kaip tai daro didžioji dauguma dabartinių formų.

Gyvenimo kliūčių ribojimas: fosfolipidai

Gavus makromolekules ir molekulę, galinčią kaupti informaciją ir atkartoti save, būtina nustatyti biologinę membraną, kad būtų galima nustatyti ribas tarp gyvosios ir tarpląstelinės aplinkos. Evoliuciškai šis žingsnis pažymėjo pirmųjų ląstelių kilmę.

Manoma, kad pirmoji ląstelė atsirado iš RNR molekulės, kurią uždengė membrana, sudaryta iš fosfolipidų. Pastarosios yra amfipatinės molekulės, o tai reiškia, kad viena dalis yra hidrofilinė (tirpi vandenyje), o kita - hidrofobinė (netirpsta vandenyje).

Kai fosfolipidai ištirpsta vandenyje, jie turi galimybę spontaniškai kauptis ir sudaryti lipidų dvisluoksnį sluoksnį. Polinės galvutės yra suskirstytos į grupes, nukreiptas į vandeninę aplinką, o hidrofobinės uodegos yra viduje, liečiamos viena su kita.

Šis barjeras yra termodinamiškai stabilus ir sukuria skyrių, kuris leidžia ląstelę atskirti nuo tarpląstelinės aplinkos.

Laikui bėgant, lipidų membranoje esanti RNR tęsė savo evoliucijos kelią pagal darvinistinius mechanizmus - kol ji pateikė sudėtingus procesus, tokius kaip baltymų sintezė.

Metabolizmo raida

Kai šios primityviosios ląstelės buvo suformuotos, prasidėjo medžiagų apykaitos kelių, kuriuos mes šiandien žinome, vystymasis. Labiausiai tikėtinas pirmųjų ląstelių kilmės scenarijus yra vandenynas, todėl pirmosios ląstelės galėjo gauti maisto ir energijos tiesiai iš aplinkos.

Kai maisto trūko, tam tikri ląstelių variantai turėjo atsirasti naudojant alternatyvius maisto gavimo ir energijos generavimo būdus, leidžiančius jiems tęsti replikaciją.

Ląstelių metabolizmo generavimas ir kontrolė yra būtini jo tęstinumui. Tiesą sakant, pagrindiniai metabolizmo keliai yra plačiai išsaugoti tarp dabartinių organizmų. Pavyzdžiui, tiek bakterija, tiek žinduolis atlieka glikolizę.

Buvo pasiūlyta, kad energijos gamyba vystosi trimis etapais, pradedant glikolize, paskui fotosinteze ir baigiant oksidaciniu metabolizmu.

Kadangi primityvioje aplinkoje trūko deguonies, tikėtina, kad ankstyvosios medžiagų apykaitos reakcijos vyko be jos.

Eukariotų ląstelės raida

Ląstelės buvo vienareikšmiškai prokariotinės iki maždaug 1,5 milijardo metų. Šiame etape pasirodė pirmosios ląstelės su tikru branduoliu ir pačios organelės. Ryškiausia teorija literatūroje, paaiškinanti organelių evoliuciją, yra endosimbiotinė teorija (endo reiškia vidinę).

Organizmai nėra išskirti savo aplinkoje. Biologinės bendruomenės yra daugialypės, tiek antagonistinės, tiek sinergistinės. Skirtingas sąveikoms naudojamas skėtinis terminas yra simbiozė - anksčiau jis buvo naudojamas tik tarpusavio santykiams tarp dviejų rūšių.

Organizmų sąveika turi svarbių evoliucinių padarinių, o dramatiškiausias to pavyzdys yra endosimbiotikų teorija, kurią iš pradžių pasiūlė amerikiečių tyrėjas Lynas Margulis devintajame dešimtmetyje.

Endosimbiotikų teorijos postulatai

Remiantis šia teorija, kai kurie eukariotiniai organeliai, tokie kaip chloroplastai ir mitochondrijos, iš pradžių buvo laisvai gyvenantys prokariotiniai organizmai. Tam tikru evoliucijos momentu prokariotas buvo prarytas didesniu, bet nebuvo suvirškintas. Vietoj to, jis išgyveno ir buvo įstrigęs didesniame organizme.

Be išgyvenimo, dviejų organizmų dauginimosi laikas buvo sinchronizuotas, ir tai leido pereiti kartoms iš eilės.

Chloroplastų atveju apimtas organizmas turėjo visus fermentinius mechanizmus fotosintezei vykdyti, aprūpindamas didesnį organizmą šių cheminių reakcijų produktais: monosacharidais. Mitochondrijų atveju postuluojama, kad įsisavintas prokariotas gali būti protėvių α-proteobakterijos.

Vis dėlto galimas didesnio organizmo šeimininko tapatumas yra atviras literatūros klausimas.

Įsigijęs prokariotinis organizmas prarado ląstelės sienelę ir per evoliuciją patyrė reikiamas modifikacijas, iš kurių kilo šiuolaikiniai organeliai. Iš esmės tai yra endosimbiotikų teorija.

Endosimbiotikų teorijos įrodymai

Šiuo metu yra daugybė faktų, pagrindžiančių endosimbiozės teoriją, būtent: a) dabartinių mitochondrijų ir chloroplastų dydis yra panašus į prokariotų; b) šie organeliai turi savo genetinę medžiagą ir sintezuoja dalį baltymų, nors jie nėra visiškai nepriklausomi nuo branduolio, ir c) abu biologiniai vienetai turi daugybę biocheminių panašumų.

Privalumai yra eukariotai

Eukariotų ląstelių evoliucija yra susijusi su daugybe pranašumų prieš prokariotus. Padidėjęs dydis, sudėtingumas ir suskirstymas į dalis leido greitai vystytis naujoms biocheminėms funkcijoms.

Atvykus eukariotinei ląstelei, atsirado daugialypumas. Jei ląstelė „nori“ džiaugtis didesnio dydžio pranašumais, ji negali tiesiog augti, nes ląstelės paviršius turi būti didelis, palyginti su jo tūriu.

Taigi organizmai, turintys daugiau nei vieną ląstelę, galėjo padidinti savo dydį ir paskirstyti užduotis tarp kelių juos sudarančių ląstelių.

Nuorodos

1. Altstein, AD (2015). Progeno hipotezė: nukleoproteinų pasaulis ir kaip prasidėjo gyvenimas. „Biology Direct“, 10, 67.
2. Andersonas, PW (1983). Siūlomas prebiotikų evoliucijos modelis: Chaoso naudojimas. Nacionalinės mokslų akademijos leidiniai, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologija: gyvenimas žemėje. Pearsono išsilavinimas.
4. Campbell, AN, ir Reece, JB (2005). Biologija. Redakcija Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). 1 biologija: konstruktyvistinis požiūris. „Pearson Education“.
6. P. Hogewegas ir Takeuchi, N. (2003). Daugiapakopis pasirinkimas prebiotinės evoliucijos modeliuose: skyriai ir erdvinė savireguliacija. Gyvenimo ištakos ir biosferos evoliucija, 33 (4–5), 375–403.
7. Lazcano, A., ir Miller, SL (1996). Gyvenimo kilmė ir ankstyvoji raida: prebiotinė chemija, pre-RNR pasaulis ir laikas. Cell, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K., ir Alfonzo, J. (2016). Nuo prebiotikų iki probiotikų: tRNR modifikacijų raida ir funkcijos. Gyvenimas, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF ir Szostak, JW (2010). Ląstelinio gyvenimo ištakos. Šaltojo pavasario uosto biologinės perspektyvos, a002212.
10. Silvestras, DA ir „Fontanari“, JF (2008). Pakuotės modeliai ir prebiotikų evoliucijos informacinė krizė. Teorinės biologijos žurnalas, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P., ir Mavelli, F. (2015). Protoelementų modeliai gyvybės kilmėje ir sintetinėje biologijoje. Gyvenimas, 5 (4), 1700–1702.