IZVOR CELICE: GLAVNE TEORIJE (PROKARIOTSKE IN EVKARIONTSKE) - BIOLOGIJA - 2025

Izvor celic sega stara več kot 3,5 milijarde let. Način nastanka teh funkcionalnih enot je vzbujal radovednost znanstvenikov že več stoletij.

Izvor življenja sam po sebi je spremljal izvor celic. V primitivnem okolju so se okoljski pogoji zelo razlikovali od današnjih. Koncentracija kisika je bila praktično nič, v ozračju pa je prevladovala druga sestava plinov.

Vir: pixabay.com

Različne izkušnje v laboratoriju so pokazale, da je v začetnih okoljskih pogojih Zemlje možna polimerizacija različnih biomolekul, značilnih za organske sisteme, in sicer: aminokislin, sladkorja itd.

Molekula s katalitično zmogljivostjo in se lahko sama razmnožuje (potencialno RNA) bi lahko bila zaprta v fosfolipidno membrano in tvorila prve primitivne prokariotske celice, ki so se razvile po darvinskih načelih.

Prav tako je izvor evkariontske celice običajno razložen z uporabo endosimbiotske teorije. Ta ideja podpira, da je velika bakterija zajela manjšo in s časom nastala organele, ki jih poznamo danes (kloroplasti in mitohondriji).

Teorija celic

Celica je izraz, ki izvira iz latinske korenske celice, kar pomeni votlo. To so funkcionalne in strukturne enote živih bitij. Izraz je prvič uporabil v 17. stoletju raziskovalec Robert Hooke, ko je pod lučjo mikroskopa pregledal list plute in opazoval nekakšne celice.

S tem odkritjem se je več znanstvenikov - zlasti prispevkov Theodora Schwanna in Matthiasa Schleidena - začelo zanimati za mikroskopsko strukturo žive snovi. Na ta način se je rodil eden najpomembnejših stebrov biologije: teorija celic.

Teorija drži, da: (a) so vsa organska bitja sestavljena iz celic; (b) celice so življenjska enota; (c) kemične reakcije, ki vzdržujejo življenje, se dogajajo v mejah celice in (d) vse življenje izvira iz že obstoječega življenja.

Ta zadnji postulat je povzet v znameniti frazi Rudolfa Virchowa: "omnis cellula e cellula" - vse celice izhajajo iz drugih že obstoječih celic. Toda od kod je prišla prva celica? Nato bomo opisali glavne teorije, ki poskušajo razložiti izvor prvih celičnih struktur.

Evolucija prokariotske celice

Izvor življenja je pojav, ki je tesno povezan s poreklom celic. Na zemlji obstajata dve celični obliki življenja: prokarioti in evkarioti.

Obe rodovi se v osnovi razlikujeta glede na njihovo kompleksnost in strukturo, pri čemer so evkarionti večji in bolj zapleteni organizmi. To ne pomeni, da so prokarioti preprosti - en sam prokariontski organizem je organizirana in zapletena aglomeracija različnih molekularnih kompleksov.

Evolucija obeh vej življenja je eno najbolj vznemirljivih vprašanj v svetu biologije.

Kronološko naj bi bilo življenje staro 3,5 do 3,8 milijarde let. To se je pojavilo približno 750 milijonov let po nastanku Zemlje.

Evolucija zgodnjih življenjskih oblik: Millerjevi poskusi

V zgodnjih dvajsetih letih prejšnjega stoletja je bila ideja, da bi organske makromolekule lahko spontano polimerizirale v okolju primitivne atmosfere - z nizkimi koncentracijami kisika in visokimi koncentracijami CO ₂ in N ₂ , pa tudi z nizom plinov, kot so H ₂ , H ₂ S, in CO.

Domnevamo, da je hipotetična primitivna atmosfera zagotavljala redukcijsko okolje, kar je skupaj z virom energije (kot so sončna svetloba ali električni izpusti) ustvarilo pogoje, ki so ugodni za polimerizacijo organskih molekul.

To teorijo je leta 1950 eksperimentalno potrdil raziskovalec Stanley Miller med podiplomskim študijem.

Potreba po molekuli s samo-ponovljivimi in katalitičnimi lastnostmi: svet RNA

Po določitvi potrebnih pogojev za nastanek molekul, ki jih najdemo v vseh živih bitjih, je treba predlagati primitivno molekulo z zmožnostjo shranjevanja informacij in razmnoževanja - trenutne celice hranijo genetske informacije v štirih jezikih nukleotidi v molekuli DNK.

Do danes je najboljši kandidat za to molekulo RNA. Šele Altman in Tom Cech sta šele leta 1980 odkrila katalitične sposobnosti te nukleinske kisline, vključno s polimerizacijo nukleotidov - kritičnega koraka v razvoju življenja in celic.

Zaradi tega se verjame, da je življenje začelo uporabljati RNA kot genetski material in ne DNK, kot jih ima velika večina trenutnih oblik.

Omejevanje življenjskih ovir: fosfolipidi

Ko so pridobljene makromolekule in molekula, ki lahko shranjujejo informacije in se razmnožujejo, je za določitev meja med bivalnim in zunajtelesnim okoljem potreben obstoj biološke membrane. Evolucijsko je ta korak zaznamoval izvor prvih celic.

Domneva se, da je prva celica nastala iz molekule RNA, ki jo je obdala membrana, sestavljena iz fosfolipidov. Slednje so amfipatične molekule, kar pomeni, da je en del hidrofilni (topen v vodi), drugi del pa hidrofoben (ni topen v vodi).

Ko se fosfolipidi raztopijo v vodi, se lahko spontano agregirajo in tvorijo lipidni dvoplast. Polarne glave so med seboj v stiku, obrnjene proti vodnemu okolju in hidrofobnim repom.

Ta pregrada je termodinamično stabilna in ustvarja predel, ki omogoča ločitev celice od zunajceličnega okolja.

S potekom časa je RNA, zaprta znotraj lipidne membrane, nadaljevala svojo evolucijsko pot po Darwinovskih mehanizmih - do predstavitve zapletenih procesov, kot je sinteza beljakovin.

Evolucija metabolizma

Ko so nastale te primitivne celice, se je začel razvoj presnovnih poti, ki jih poznamo danes. Najbolj verjeten scenarij nastanka prvih celic je ocean, zato so prve celice lahko pridobivale hrano in energijo neposredno iz okolja.

Ko je hrana postala pomanjkljiva, so se morale pojaviti nekatere celične različice z alternativnimi metodami pridobivanja hrane in pridobivanja energije, ki so omogočale nadaljevanje njihovega razmnoževanja.

Ustvarjanje in nadzor celičnega metabolizma sta bistvenega pomena za njegovo kontinuiteto. V bistvu so glavne presnovne poti široko ohranjene med sedanjimi organizmi. Na primer, tako bakterija kot sesalec izvajata glikolizo.

Predlagano je bilo, da se proizvodnja energije razvija v treh stopnjah, začenši z glikolizo, ki ji sledi fotosinteza in konča z oksidativnim metabolizmom.

Ker primitivnemu okolju primanjkuje kisika, je verjetno, da so zgodnje presnovne reakcije minile brez njega.

Evolucija evkariontske celice

Celice so bile do približno 1,5 milijarde let edinstveno prokariotske. Na tej stopnji so se pojavile prve celice s pravim jedrom in organeli. Najvidnejša teorija v literaturi, ki razlaga evolucijo organelov, je endosimbiotska teorija (endo pomeni notranja).

Organizmi niso izolirani v svojem okolju. Biološke skupnosti predstavljajo več interakcij, tako antagonističnih kot sinergističnih. Krovni izraz, ki se uporablja za različne interakcije, je simbioza - prej se uporablja le za medsebojne odnose med dvema vrstama.

Interakcije med organizmi imajo pomembne evolucijske posledice, najbolj dramatičen primer tega pa je endosimbiotska teorija, ki jo je v 80. letih prejšnjega stoletja predlagala ameriška raziskovalka Lynn Margulis.

Postulati endosimbiotske teorije

Po tej teoriji so bili nekateri evkariontski organeli - na primer kloroplasti in mitohondriji - sprva prosto živeči prokariotski organizmi. Na neki točki evolucije je prokariot pogoltnil večji, vendar ga ni prebavil. Namesto tega je preživel in bil ujet znotraj večjega organizma.

Poleg preživetja so bili sinhronizirani tudi razmnoževalni časi med obema organizmama, kar je uspelo prenesti na naslednje generacije.

V primeru kloroplastov je zajeti organizem razstavil vse encimske stroje za izvajanje fotosinteze in večji organizem oskrbel s proizvodi teh kemijskih reakcij: monosaharidi. V primeru mitohondrijev se domneva, da bi lahko zajel prokariot prednikov α-proteobakterij prednikov.

Vendar pa je potencialna identiteta večjega organizma gostitelja v literaturi odprto vprašanje.

Zajeti prokariotski organizem je izgubil svojo celično steno in skozi celotno evolucijo je doživel ustrezne modifikacije, ki izvirajo iz sodobnih organelov. To je v bistvu endosimbiotska teorija.

Dokazi za endosimbiotsko teorijo

Trenutno obstaja več dejstev, ki podpirajo teorijo o endosimbiozi, in sicer: (a) velikost trenutnih mitohondrijev in kloroplastov je podobna velikosti prokariotov; (b) imajo te organele lasten genetski material in sintetizirajo del beljakovin, čeprav niso popolnoma neodvisne od jedra in (c) med biološkimi entitetami obstaja več biokemičnih podobnosti.

Prednosti biti evkariontski

Evolucija evkariontskih celic je povezana z vrsto prednosti pred prokarioti. Povečanje velikosti, zapletenosti in razdelitve je omogočilo hiter razvoj novih biokemijskih funkcij.

Po prihodu evkariontske celice je prišla večceličnost. Če želi celica "uživati" prednosti večje velikosti, ne more preprosto rasti, saj mora biti površina celice velika glede na njen volumen.

Tako so organizmi z več kot eno celico lahko povečali svojo velikost in razdelili naloge med več celic, ki jih sestavljajo.

Reference

1. Altstein, AD (2015). Progena hipoteza: nukleoproteinski svet in kako se je začelo življenje. Biology Direct, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). Predlagani model za prebiotično evolucijo: Uporaba kaosa. Zbornik Nacionalne akademije znanosti, 80 (11), 3386–3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologija: Življenje na Zemlji. Pearsonova vzgoja.
4. Campbell, AN, & Reece, JB (2005). Biologija. Uredništvo Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). Biologija 1: konstruktivistični pristop. Pearsonova vzgoja.
6. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Izbor na več ravneh v modelih prebiotične evolucije: predelki in prostorska samoorganizacija. Izvori življenja in evolucije biosfere, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). Izvor in zgodnja evolucija življenja: prebiotična kemija, svet pred RNA in čas. Celica, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K., in Alfonzo, J. (2016). Od prebiotikov do probiotikov: razvoj in funkcije sprememb tRNA. Življenje, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF in Szostak, JW (2010). Izvori celičnega življenja. Perspektive hladne pomladne luke v biologiji, a002212.
10. Silvestre, DA, & Fontanari, JF (2008). Paketni modeli in informacijska kriza prebiotičnega razvoja. Časopis za teoretsko biologijo, 252 (2), 326–337.
11. Stano, P., & Mavelli, F. (2015). Modeli protocelic v izvoru življenja in sintetična biologija. Življenje, 5 (4), 1700–1702.