ПРОИСХОЖДЕНИЕ КЛЕТКИ: ОСНОВНЫЕ ТЕОРИИ (ПРОКАРИОТИЧЕСКАЯ И ЭУКАРИОТИЧЕСКАЯ) - БИОЛОГИЯ - 2025

Происхождение клеток насчитывает более 3,5 миллиардов лет. То, как возникли эти функциональные единицы, на протяжении нескольких столетий вызывало любопытство ученых.

Зарождение самой жизни сопровождалось зарождением клеток. В примитивной среде условия окружающей среды сильно отличались от того, что мы наблюдаем сегодня. Концентрация кислорода была практически нулевой, а в атмосфере преобладал другой состав газов.

Источник: pixabay.com

Различные лабораторные опыты показали, что в исходных экологических условиях Земли возможна полимеризация различных биомолекул, характерных для органических систем, а именно: аминокислот, сахаров и т. Д.

Молекула, обладающая каталитической способностью и способная самовоспроизводиться (потенциально РНК), могла быть заключена в фосфолипидную мембрану, образуя первые примитивные прокариотические клетки, которые развивались в соответствии с дарвиновскими принципами.

Точно так же происхождение эукариотической клетки обычно объясняется с помощью эндосимбиотической теории. Эта идея подтверждает, что большая бактерия поглотила более мелкую и со временем образовала органеллы, которые мы знаем сегодня (хлоропласты и митохондрии).

Клеточная теория

Клетка - это термин, который происходит от латинского корня cellula, что означает полый. Это функциональные и структурные единицы живых существ. Этот термин был впервые использован в 17 веке исследователем Робертом Гук, когда он рассматривал пробковый лист под светом микроскопа и наблюдал своего рода клетки.

С этим открытием все больше ученых - в частности, вклад Теодора Шванна и Матиаса Шлейдена - заинтересовались микроскопической структурой живого вещества. Так родилась одна из важнейших основ биологии: теория клеток.

Теория утверждает, что: (а) все органические существа состоят из клеток; (б) клетки - это единица жизни; (c) химические реакции, поддерживающие жизнь, происходят в пределах клетки, и (d) вся жизнь происходит из ранее существовавшей жизни.

Этот последний постулат резюмируется в знаменитой фразе Рудольфа Вирхова: «omnis cellula e cellula» - все клетки происходят из других уже существующих клеток. Но откуда взялась первая клетка? Далее мы опишем основные теории, которые пытаются объяснить происхождение первых клеточных структур.

Эволюция прокариотической клетки

Происхождение жизни - явление, тесно связанное с происхождением клеток. На Земле есть две клеточные формы жизни: прокариоты и эукариоты.

Обе линии различаются в основном по сложности и структуре, причем эукариоты являются более крупными и сложными организмами. Это не означает, что прокариоты просты - единый прокариотический организм представляет собой организованную и сложную агломерацию различных молекулярных комплексов.

Эволюция обеих ветвей жизни - один из самых интересных вопросов в мире биологии.

Хронологически возраст жизни оценивается от 3,5 до 3,8 миллиарда лет. Это появилось примерно через 750 миллионов лет после образования Земли.

Эволюция ранних форм жизни: эксперименты Миллера

В начале 1920-х годов возникла идея, что органические макромолекулы могут самопроизвольно полимеризоваться в условиях окружающей среды примитивной атмосферы - с низкой концентрацией кислорода и высокой концентрацией CO ₂ и N ₂ , а также рядом факторов газов, таких как H ₂ , H ₂ S и CO.

Предполагается, что гипотетическая примитивная атмосфера обеспечивала восстанавливающую среду, которая вместе с источником энергии (таким как солнечный свет или электрические разряды) создавала условия, способствующие полимеризации органических молекул.

Эта теория была экспериментально подтверждена в 1950 году исследователем Стэнли Миллером во время учебы в аспирантуре.

Потребность в молекуле с самовоспроизводящимися и каталитическими свойствами: мир РНК

После определения необходимых условий для образования молекул, которые мы находим у всех живых существ, необходимо предложить примитивную молекулу со способностью хранить информацию и воспроизводить себя - современные клетки хранят генетическую информацию на языке четырех нуклеотиды в молекуле ДНК.

На сегодняшний день лучшим кандидатом на эту молекулу является РНК. Лишь в 1980 году исследователи Сид Альтман и Том Чех открыли каталитические возможности этой нуклеиновой кислоты, включая полимеризацию нуклеотидов - критический шаг в эволюции жизни и клеток.

По этим причинам считается, что жизнь начала использовать РНК в качестве генетического материала, а не ДНК, как это делают подавляющее большинство современных форм.

Ограничение жизненных барьеров: фосфолипиды

Как только макромолекулы и молекула, способная хранить информацию и воспроизводить себя, были получены, необходимо существование биологической мембраны для определения границ между живой и внеклеточной средой. Эволюционно этот шаг ознаменовал происхождение первых клеток.

Считается, что первая клетка возникла из молекулы РНК, которая была окружена мембраной, состоящей из фосфолипидов. Последние являются амфипатическими молекулами, что означает, что одна часть является гидрофильной (растворимой в воде), а другая часть - гидрофобной (не растворимой в воде).

Когда фосфолипиды растворяются в воде, они обладают способностью спонтанно агрегировать и образовывать липидный бислой. Полярные головки сгруппированы лицом к водной среде, а гидрофобные хвосты внутри находятся в контакте друг с другом.

Этот барьер термодинамически стабилен и создает отсек, который позволяет клетке отделиться от внеклеточной среды.

Со временем РНК, заключенная в липидной мембране, продолжала свой эволюционный путь в соответствии с дарвиновскими механизмами - до тех пор, пока не представила сложные процессы, такие как синтез белка.

Эволюция метаболизма

Как только эти примитивные клетки были сформированы, началось развитие метаболических путей, которые мы знаем сегодня. Наиболее вероятным сценарием происхождения первых клеток является океан, поэтому первые клетки смогли получать пищу и энергию непосредственно из окружающей среды.

Когда стало не хватать пищи, должны были появиться определенные варианты клеток с альтернативными методами получения пищи и выработки энергии, которые позволили им продолжить свое размножение.

Генерация и контроль клеточного метаболизма важны для его непрерывности. Фактически, основные метаболические пути широко сохранены среди современных организмов. Например, и бактерия, и млекопитающее осуществляют гликолиз.

Было высказано предположение, что выработка энергии развивалась в три стадии, начиная с гликолиза, затем фотосинтеза и заканчивая окислительным метаболизмом.

Поскольку в примитивной среде не хватало кислорода, вполне вероятно, что в ранних метаболических реакциях он отсутствовал.

Эволюция эукариотической клетки

Примерно 1,5 миллиарда лет назад клетки были исключительно прокариотическими. На этом этапе появились первые клетки с настоящим ядром и сами органеллы. Наиболее известной теорией в литературе, объясняющей эволюцию органелл, является эндосимбиотическая теория (эндо означает внутреннее).

Организмы не изолированы в своей среде. Биологические сообщества представляют собой множественные взаимодействия, как антагонистические, так и синергетические. Общий термин, используемый для различных взаимодействий, - это симбиоз, который раньше использовался только для мутуалистических отношений между двумя видами.

Взаимодействия между организмами имеют важные эволюционные последствия, и наиболее ярким примером этого является теория эндосимбиотиков, которая была первоначально предложена американским исследователем Линн Маргулис в 1980-х годах.

Постулаты эндосимбиотической теории

Согласно этой теории, некоторые эукариотические органеллы, такие как хлоропласты и митохондрии, изначально были свободноживущими прокариотическими организмами. В какой-то момент эволюции прокариот проглотил более крупный, но не переварился. Вместо этого он выжил и оказался в ловушке более крупного организма.

В дополнение к выживанию время размножения между двумя организмами было синхронизировано, передаваясь последующим поколениям.

В случае хлоропластов поглощенный организм продемонстрировал весь ферментативный аппарат для осуществления фотосинтеза, снабжая более крупный организм продуктами этих химических реакций: моносахаридами. В случае митохондрий постулируется, что поглощенные прокариоты могли быть предковыми α-протеобактериями.

Однако потенциальная идентичность более крупного организма-хозяина остается открытым вопросом в литературе.

Поглощенный прокариотический организм потерял свою клеточную стенку и на протяжении эволюции претерпевал соответствующие модификации, которые привели к возникновению современных органелл. Это, по сути, эндосимбиотическая теория.

Доказательства эндосимбиотической теории

В настоящее время существует множество фактов, подтверждающих теорию эндосимбиоза, а именно: (а) размер текущих митохондрий и хлоропластов аналогичен размеру прокариот; (б) эти органеллы имеют свой собственный генетический материал и синтезируют часть белков, хотя они не полностью независимы от ядра, и (в) существует множество биохимических сходств между обоими биологическими объектами.

Преимущества эукариотики

Эволюция эукариотических клеток связана с рядом преимуществ перед прокариотами. Увеличение размера, сложности и компартментализации позволило быстро развить новые биохимические функции.

После появления эукариотической клетки возникла многоклеточность. Если клетка «хочет» пользоваться преимуществами большего размера, она не может просто расти, поскольку поверхность клетки должна быть большой по сравнению с ее объемом.

Таким образом, организмы с более чем одной клеткой смогли увеличить свой размер и распределить задачи между несколькими клетками, которые их составляют.

Ссылки

1. Альтштейн, AD (2015). Гипотеза прогена: мир нуклеопротеидов и как зародилась жизнь. Биология Директ, 10, 67.
2. Андерсон, П. У. (1983). Предлагаемая модель эволюции пребиотиков: использование хаоса. Слушания Национальной академии наук, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Биология: жизнь на Земле. Образование Пирсона.
4. Кэмпбелл, А. Н., и Рис, Дж. Б. (2005). Биология. От редакции Médica Panamericana.
5. Гама, М. (2007). Биология 1: конструктивистский подход. Pearson Education.
6. Хогевег П. и Такеучи Н. (2003). Многоуровневый отбор в моделях эволюции пребиотиков: компартменты и пространственная самоорганизация. Истоки жизни и эволюция биосферы, 33 (4-5), 375-403.
7. Ласкано А. и Миллер С.Л. (1996). Происхождение и ранняя эволюция жизни: химия пребиотиков, мир пре-РНК и время. Ячейка, 85 (6), 793-798.
8. Маккенни, К., и Альфонсо, Дж. (2016). От пребиотиков до пробиотиков: эволюция и функции модификаций тРНК. Жизнь, 6 (1), 13.
9. Шрам, Дж. П., Чжу, Т. Ф., & Шостак, Дж. В. (2010). Истоки клеточной жизни. Биологические перспективы Колд-Спринг-Харбор, a002212.
10. Сильвестр, Д.А., и Фонтанари, Дж. Ф. (2008). Модели пакетов и информационный кризис эволюции пребиотиков. Журнал теоретической биологии, 252 (2), 326-337.
11. Стано П. и Мавелли Ф. (2015). Модели протоклеток в происхождении жизни и синтетической биологии. Жизнь, 5 (4), 1700–1702.