CELLEENS OPRINDELSE: HOVEDTEORIER (PROKARYOTISK OG EUKARYOTISK) - BIOLOGI - 2025

Celleens oprindelse er mere end 3,5 milliarder år gammel. Den måde, hvorpå disse funktionelle enheder stammer fra, har vakt forskernes nysgerrighed i flere århundreder.

Livets oprindelse i sig selv blev ledsaget af cellernes oprindelse. I et primitivt miljø var miljøforholdene meget forskellige fra det, vi observerer i dag. Oxygenkoncentrationen var praktisk taget nul, og atmosfæren blev domineret af en anden sammensætning af gasser.

Kilde: pixabay.com

Forskellige erfaringer i laboratoriet har vist, at under jordens oprindelige miljøbetingelser er polymerisation af forskellige biomolekyler, der er karakteristiske for organiske systemer, mulig, nemlig: aminosyrer, sukkerarter osv.

Et molekyle med katalytisk kapacitet og til at replikere sig selv (potentielt et RNA) kunne være indkapslet i en phospholipidmembran og danne de første primitive prokaryotiske celler, der udviklede sig efter darwinistiske principper.

Ligeledes forklares oprindelsen af ​​den eukaryote celle normalt ved hjælp af den endosymbiotiske teori. Denne idé understøtter, at en stor bakterie opslynges af en mindre, og med tiden gik oprindelsen af ​​de organeller, som vi kender i dag (kloroplaster og mitokondrier).

Celle teorien

Celle er et udtryk, der kommer fra den latinske rodcellula, som betyder hul. Dette er de funktionelle og strukturelle enheder af levende ting. Udtrykket blev først brugt i det 17. århundrede af forsker Robert Hooke, da han undersøgte et ark kork under lyset af et mikroskop og observerede en slags celler.

Med denne opdagelse blev flere forskere - især bidrag fra Theodor Schwann og Matthias Schleiden - interesseret i den mikroskopiske struktur af levende stof. På denne måde blev en af ​​de vigtigste søjler i biologien født: celleteori.

Teorien hævder, at: (a) alle organiske væsener består af celler; (b) celler er livsenheden; (c) de kemiske reaktioner, der opretholder liv, forekommer inden for cellens grænser, og (d) alt liv kommer fra forudgående liv.

Dette sidste postulat opsummeres i den berømte sætning af Rudolf Virchow: "omnis cellula e cellula" - alle celler er afledt af andre allerede eksisterende celler. Men hvor kom den første celle fra? Dernæst beskriver vi de vigtigste teorier, der søger at forklare oprindelsen af ​​de første cellulære strukturer.

Evolution af den prokaryote celle

Livets oprindelse er et fænomen tæt knyttet til cellernes oprindelse. På jorden er der to cellulære livsformer: prokaryoter og eukaryoter.

Begge linjer adskiller sig grundlæggende med hensyn til deres kompleksitet og struktur, hvor eukaryoter er større og mere komplekse organismer. Dette er ikke at sige, at prokaryoter er enkle - en enkelt prokaryot organisme er en organiseret og indviklet agglomeration af forskellige molekylære komplekser.

Udviklingen af ​​begge livets grene er et af de mest spændende spørgsmål i biologiens verden.

Kronologisk vurderes livet at være 3,5 til 3,8 milliarder år gammelt. Dette optrådte cirka 750 millioner år efter dannelsen af ​​Jorden.

Evolution af tidlige livsformer: Millers eksperimenter

I begyndelsen af 1920'erne den idé at organiske makromolekyler kunne polymerisere spontant under de miljømæssige betingelser af primitiv atmosfære - med lave iltkoncentrationer og høje koncentrationer af CO ₂ og N ₂, samt en serie af af gasser, såsom H ₂, H ₂ S, og CO.

Det antages, at den hypotetiske primitive atmosfære tilvejebragte et reducerende miljø, som sammen med en energikilde (såsom sollys eller elektriske udladninger) skabte betingelserne, der er befordrende for polymerisationen af ​​organiske molekyler.

Denne teori blev bekræftet eksperimentelt i 1950 af forsker Stanley Miller under hans kandidatstudier.

Behovet for et molekyle med selvreplicerende og katalytiske egenskaber: RNA's verden

Efter at have specificeret de nødvendige betingelser for dannelsen af ​​molekylerne, som vi finder i alle levende væsener, er det nødvendigt at foreslå et primitivt molekyle med evnen til at gemme information og replikere sig selv - aktuelle celler gemmer genetisk information på et sprog på fire nukleotider i DNA-molekylet.

Indtil videre er den bedste kandidat til dette molekyle RNA. Først i 1980 opdagede forskerne Sid Altman og Tom Cech de katalytiske egenskaber ved denne nukleinsyre, herunder polymerisationen af ​​nukleotider - et kritisk trin i udviklingen af ​​liv og celler.

Af disse grunde antages det, at livet begyndte at bruge RNA som genetisk materiale, og ikke DNA, som langt de fleste af de nuværende former gør.

Begrænsning af livshindringer: phospholipider

Når først makromolekylerne og molekylet, der er i stand til at lagre information og replikere sig selv, er opnået, er eksistensen af ​​en biologisk membran nødvendig for at bestemme grænserne mellem det levende og det ekstracellulære miljø. Evolutionært markerede dette trin oprindelsen af ​​de første celler.

Det antages, at den første celle er stammet fra et RNA-molekyle, der var lukket af en membran, der består af phospholipider. Sidstnævnte er amfipatiske molekyler, hvilket betyder, at den ene del er hydrofil (opløselig i vand), og den anden del er hydrofob (ikke opløselig i vand).

Når phospholipider opløses i vand, har de evnen til spontant at aggregere og danne et lipid-dobbeltlag. De polære hoveder er grupperet mod det vandige miljø og de hydrofobe haler indeni, i kontakt med hinanden.

Denne barriere er termodynamisk stabil og skaber et rum, der gør det muligt at adskille cellen fra det ekstracellulære miljø.

Efterhånden som tiden gik, fortsatte RNA, der var indesluttet i lipidmembranen, sit evolutionære forløb efter darwinistiske mekanismer - indtil det præsenterede komplekse processer såsom proteinsyntese.

Udvikling af stofskifte

Når disse primitive celler blev dannet, begyndte udviklingen af ​​de metaboliske veje, som vi kender i dag. Det mest sandsynlige scenario for oprindelsen af ​​de første celler er havet, så de første celler var i stand til at hente mad og energi direkte fra miljøet.

Da fødevarer blev knappe, måtte visse cellevarianter vises med alternative metoder til at få mad og generere energi, der gjorde det muligt for dem at fortsætte deres replikation.

Generering og kontrol af cellemetabolisme er vigtig for dens kontinuitet. Faktisk er de vigtigste metaboliske veje vidt konserveret blandt de nuværende organismer. For eksempel udfører både en bakterie og et pattedyr glykolyse.

Det er blevet foreslået, at energiproduktion udviklede sig i tre faser, begyndende med glykolyse, efterfulgt af fotosyntesen og slutter med oxidativ metabolisme.

Da det primitive miljø manglede ilt, kan det antages, at de tidlige metaboliske reaktioner gjorde det uden det.

Evolution af den eukaryote celle

Celler var unikt prokaryote indtil for ca. 1,5 milliarder år siden. På dette trin dukkede de første celler med en ægte kerne og organeller op. Den mest fremtrædende teori i litteraturen, der forklarer udviklingen af ​​organeller er den endosymbiotiske teori (endo betyder intern).

Organismer er ikke isoleret i deres miljø. Biologiske samfund præsenterer flere interaktioner, både antagonistiske og synergistiske. Et paraplybegrep, der bruges til forskellige interaktioner, er symbiose - der tidligere kun blev brugt til gensidige forhold mellem to arter.

Interaktion mellem organismer har vigtige evolutionære konsekvenser, og det mest dramatiske eksempel herpå er den endosymbiotiske teori, som oprindeligt blev foreslået af den amerikanske forsker Lynn Margulis i 1980'erne.

Postulater af endosymbiotisk teori

I henhold til denne teori var nogle eukaryote organeller - såsom kloroplaster og mitokondrier - oprindeligt fritlevende prokaryote organismer. På et tidspunkt i evolutionen blev en prokaryot slugt af en større, men blev ikke fordøjet. I stedet overlevede han og blev fanget i den større organisme.

Foruden overlevelse blev reproduktionstiderne mellem de to organismer synkroniseret og formået at videregive til successive generationer.

I tilfælde af kloroplaster udviste den indhyllede organisme alle de enzymatiske maskiner til at udføre fotosyntesen, hvilket forsynede den større organisme med produkterne fra disse kemiske reaktioner: monosaccharider. I tilfælde af mitokondrier er det postuleret, at den indgrebede prokaryot kan være en forfædres α-proteobakterier.

Imidlertid er den potentielle identitet af den større værtsorganisme et åbent spørgsmål i litteraturen.

Den opsvulmede prokaryotiske organisme mistede sin cellevæg, og gennem hele evolutionen gennemgik de relevante ændringer, der stammer fra moderne organeller. Dette er i det væsentlige den endosymbiotiske teori.

Beviser for den endosymbiotiske teori

Der er i øjeblikket flere kendsgerninger, der understøtter teorien om endosymbiose, nemlig: (a) størrelsen af ​​de nuværende mitokondrier og kloroplaster svarer til den for prokaryoter; (b) disse organeller har deres eget genetiske materiale og syntetiserer en del af proteinerne, selvom de ikke er helt uafhængige af kernen, og (c) der er flere biokemiske ligheder mellem begge biologiske enheder.

Fordele ved at være eukaryot

Udviklingen af ​​eukaryote celler er forbundet med en række fordele i forhold til prokaryoter. Stigningen i størrelse, kompleksitet og kompartimering muliggjorde den hurtige udvikling af nye biokemiske funktioner.

Efter ankomsten af ​​den eukaryote celle kom multicellularitet. Hvis en celle "ønsker" at nyde fordelene ved en større størrelse, kan den ikke bare vokse, da celleoverfladen skal være stor i forhold til dens volumen.

Således var organismer med mere end en celle i stand til at øge deres størrelse og fordele opgaverne mellem de flere celler, der komponerer dem.

Referencer

1. Altstein, AD (2015). Progenhypotesen: nukleoproteinverdenen og hvordan livet begyndte. Biologi direkte, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). Foreslået model til prebiotisk udvikling: Brug af kaos. Proceedings of the National Academy of Sciences, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologi: Life on Earth. Pearson uddannelse.
4. Campbell, AN, & Reece, JB (2005). Biologi. Redaktionel Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). Biologi 1: en konstruktivistisk tilgang. Pearson Uddannelse.
6. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Valg af flere niveauer i modeller for prebiotisk udvikling: rum og rumlig selvorganisering. Origins of Life and Evolution of Biosphere, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). Livets oprindelse og tidlige udvikling: prebiotisk kemi, før-RNA-verdenen og tiden. Cell, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K., & Alfonzo, J. (2016). Fra prebiotika til probiotika: Udviklingen og funktionerne af tRNA-modifikationer. Livet, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF, & Szostak, JW (2010). Oprindelsen af ​​cellulært liv. Cold Spring Harbour-perspektiver i biologi, a002212.
10. Silvestre, DA, & Fontanari, JF (2008). Pakkemodeller og informationskrisen for prebiotisk udvikling. Tidsskrift for teoretisk biologi, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P., & Mavelli, F. (2015). Protoceller modeller med livets oprindelse og syntetisk biologi. Life, 5 (4), 1700-1702.