ŠŪNAS IZCELSME: GALVENĀS TEORIJAS (PROKARIOTU UN EIKARIOTU) - BIOLOĢIJA - 2025

No šūnu izcelsme aizsākās vairāk nekā 3,5 miljardus gadu vecs. Šo funkcionālo vienību rašanās veids vairākus gadsimtus ir izraisījis zinātnieku interesi.

Dzīves izcelsmi per se pavadīja šūnu izcelsme. Primitīvā vidē vides apstākļi ļoti atšķīrās no tā, ko novērojam šodien. Skābekļa koncentrācija bija praktiski nulle, un atmosfērā dominēja cits gāzu sastāvs.

Avots: pixabay.com

Dažādā laboratorijas pieredze rāda, ka sākotnējos Zemes vides apstākļos ir iespējama dažādu organiskām sistēmām raksturīgu biomolekuļu polimerizācija, proti: aminoskābes, cukuri utt.

Molekulu, kurai ir katalītiska spēja replicēties (iespējams, RNS), varētu ievietot fosfolipīdu membrānā, veidojot pirmās primitīvās prokariotu šūnas, kas attīstījās pēc Darvina principiem.

Tāpat eukariotu šūnas izcelsmi parasti izskaidro, izmantojot endosimbiotisko teoriju. Šī ideja apstiprina, ka liela baktērija apņēma mazāku un laika gaitā radās mūsdienās zināmās organellas (hloroplasti un mitohondriji).

Šūnu teorija

Šūna ir termins, kas nāk no latīņu saknes šūnas, kas nozīmē dobu. Tās ir dzīvo lietu funkcionālās un strukturālās vienības. Pirmoreiz šo terminu lietoja pētnieks Roberts Hūks 17. gadsimtā, kad mikroskopa gaismā pārbaudīja korķa loksni un novēroja sava veida šūnas.

Ar šo atklājumu vairāk zinātnieku - īpaši Teodora Švana un Matiasa Šlēdena ieguldījums - sāka interesēties par dzīvo vielu mikroskopisko struktūru. Tādā veidā dzima viens no svarīgākajiem bioloģijas pīlāriem: šūnu teorija.

Teorija uzskata, ka: a) visas organiskās būtnes veido šūnas; b) šūnas ir dzīves vienība; c) ķīmiskās reakcijas, kas uztur dzīvību, notiek šūnas robežās, un (d) visa dzīve rodas no iepriekš pastāvējušas dzīves.

Šis pēdējais postulāts ir apkopots slavenajā Rūdolfa Viršova frāzē: “omnis cellula e cellula” - visas šūnas tiek atvasinātas no citām jau esošām šūnām. Bet no kurienes radās pirmā šūna? Tālāk mēs aprakstīsim galvenās teorijas, kuru mērķis ir izskaidrot pirmo šūnu struktūru izcelsmi.

Prokariotu šūnas evolūcija

Dzīves izcelsme ir parādība, kas ir cieši saistīta ar šūnu izcelsmi. Uz zemes ir divas šūnu dzīves formas: prokarioti un eikarioti.

Abas līnijas galvenokārt atšķiras pēc to sarežģītības un struktūras, eikarioti ir lielāki un sarežģītāki organismi. Tas nenozīmē, ka prokarioti ir vienkārši - viens prokariotu organisms ir organizēta un sarežģīta dažādu molekulāro kompleksu aglomerācija.

Abu dzīves nozaru evolūcija ir viens no aizraujošākajiem jautājumiem bioloģijas pasaulē.

Hronoloģiski tiek lēsts, ka dzīves ilgums būs no 3,5 līdz 3,8 miljardiem gadu. Tas parādījās apmēram 750 miljonus gadu pēc Zemes veidošanās.

Agrīnās dzīves formas evolūcija: Millera eksperimenti

1920. gadu sākumā radās ideja, ka organiskās makromolekulas varētu spontāni polimerizēties primitīvas atmosfēras vides apstākļos - ar zemu skābekļa koncentrāciju un augstu CO ₂ un N _{2 koncentrāciju} , kā arī ar virkni tādu gāzu kā H ₂ , H ₂ S un CO.

Tiek pieņemts, ka hipotētiskā primitīvā atmosfēra nodrošināja reducējošu vidi, kas kopā ar enerģijas avotu (piemēram, saules gaismu vai elektrisko izlādi) radīja apstākļus, kas veicina organisko molekulu polimerizāciju.

Šo teoriju 1950. gadā eksperimentāli apstiprināja pētnieks Stenlijs Millers maģistrantūras laikā.

Nepieciešamība pēc molekulas ar pašreplicējošām un katalītiskām īpašībām: RNS pasaule

Pēc nepieciešamo molekulu veidošanās nosacījumu noteikšanas, kurus mēs atrodam visās dzīvajās būtnēs, ir jāpiedāvā primitīva molekula ar spēju uzglabāt informāciju un sevi replicēt - pašreizējās šūnas ģenētisko informāciju glabā četru valodu valodā. nukleotīdi DNS molekulā.

Līdz šim labākais molekulas kandidāts ir RNS. Tikai 1980. gadā pētnieki Sids Altmans un Toms Cehs atklāja šīs nukleīnskābes katalītiskās spējas, ieskaitot nukleotīdu polimerizāciju - kritisku soli dzīves un šūnu evolūcijā.

Šo iemeslu dēļ tiek uzskatīts, ka dzīve sāka izmantot RNS kā ģenētisko materiālu, nevis DNS, kā to dara vairums pašreizējo formu.

Dzīves barjeru ierobežošana: fosfolipīdi

Kad ir iegūtas makromolekulas un molekula, kas spēj uzglabāt informāciju un pats atkārtoties, ir nepieciešama bioloģiska membrāna, lai noteiktu robežas starp dzīvo un ārpusšūnu vidi. Evolucionāri šis solis iezīmēja pirmo šūnu izcelsmi.

Tiek uzskatīts, ka pirmā šūna ir radusies no RNS molekulas, kuru ieskauj membrāna, kuru veido fosfolipīdi. Pēdējās ir amfātiskās molekulas, kas nozīmē, ka viena porcija ir hidrofila (šķīst ūdenī), bet otra - hidrofobiska (nešķīst ūdenī).

Kad fosfolipīdi tiek izšķīdināti ūdenī, tiem ir spēja spontāni agregēties un veidot lipīdu divslāni. Polārās galvas ir sagrupētas saskarsmē ar ūdens vidi, un hidrofobās astes ir saskarē ar otru.

Šī barjera ir termodinamiski stabila un rada nodalījumu, kas ļauj šūnu atdalīt no ārpusšūnu vides.

Laika gaitā lipīdu membrānā ieslēgtā RNS turpināja savu evolūcijas ceļu pēc Darvina mehānismiem - līdz brīdim, kad tika prezentēti sarežģīti procesi, piemēram, olbaltumvielu sintēze.

Metabolisma evolūcija

Kad šīs primitīvās šūnas bija izveidotas, sākās metabolisma ceļu attīstība, ko mēs šodien zinām. Visticamākais scenārijs pirmo šūnu izcelsmei ir okeāns, tāpēc pirmās šūnas spēja iegūt pārtiku un enerģiju tieši no apkārtējās vides.

Kad pārtika kļuva ierobežota, dažiem šūnu variantiem bija jāparādās ar alternatīvām pārtikas iegūšanas un enerģijas iegūšanas metodēm, kas ļāva tām turpināt replikāciju.

Šūnu metabolisma ģenerēšana un kontrole ir būtiska tās nepārtrauktībai. Faktiski galvenie metabolisma ceļi ir plaši saglabājušies pašreizējo organismu starpā. Piemēram, gan baktērija, gan zīdītājs veic glikolīzi.

Ir ierosināts, ka enerģijas veidošanās attīstās trīs posmos, sākot ar glikolīzi, kam seko fotosintēze, un beidzot ar oksidatīvo metabolismu.

Tā kā primitīvajā vidē nebija skābekļa, ir ticams, ka agrīnās metabolisma reakcijas izpaudās bez tā.

Eikariotu šūnas evolūcija

Šūnas bija unikāli prokariotu, pirms apmēram 1,5 miljardiem gadu. Šajā posmā parādījās pirmās šūnas ar īstu kodolu un pašas organellām. Visizcilākā teorija literatūrā, kas izskaidro organellu attīstību, ir endosimbiotiskā teorija (endo nozīmē iekšējo).

Organismi savā vidē nav izolēti. Bioloģiskās kopienas savstarpēji mijiedarbojas gan antagonistiski, gan sinerģiski. Jumta termins, kas izmantots dažādām mijiedarbībām, ir simbioze - agrāk tas tika izmantots tikai savstarpējām attiecībām starp divām sugām.

Organismu mijiedarbībai ir svarīgas evolūcijas sekas, un visdramatiskākais piemērs tam ir endosimbiotisko teoriju, ko 80. gados pirmo reizi ierosināja amerikāņu pētnieks Lins Margulis.

Endosimbiotisko teoriju postulāti

Saskaņā ar šo teoriju daži eikariotu organoīdi - piemēram, hloroplasti un mitohondriji - sākotnēji bija brīvi dzīvi prokariotu organismi. Kādā evolūcijas brīdī prokariots tika norīts ar lielāku, bet netika sagremots. Tā vietā viņš izdzīvoja un tika ieslodzīts lielākajā organismā.

Papildus izdzīvošanai, abu organismu reprodukcijas laiki tika sinhronizēti, pārceļot uz nākamajām paaudzēm.

Hloroplastu gadījumā absorbētais organisms demonstrēja visu fermentatīvo mehānismu fotosintēzes veikšanai, piegādājot lielākam organismam šo ķīmisko reakciju produktus: monosaharīdus. Mitohondriju gadījumā tiek postulēts, ka absorbētais prokariots varētu būt senču α-proteobaktērijas.

Tomēr literatūrā atklāts jautājums ir lielākās saimnieka organisma iespējamā identitāte.

Pārņemtais prokariotu organisms zaudēja savu šūnu sienu, un visā evolūcijā tika veiktas atbilstošās modifikācijas, kuru izcelsme bija mūsdienu organellās. Tā būtībā ir endosimbiotiskā teorija.

Pierādījumi par endosimbiotisko teoriju

Pašlaik endosimbiozes teoriju atbalsta vairāki fakti, proti: a) pašreizējo mitohondriju un hloroplastu lielums ir līdzīgs prokariotu lielumam; b) šīm organellām ir savs ģenētiskais materiāls un tās sintezē daļu olbaltumvielu, kaut arī tās nav pilnīgi neatkarīgas no kodola un c) abām bioloģiskajām vienībām ir vairākas bioķīmiskās līdzības.

Priekšrocības būt eikariotiskiem

Eikariotu šūnu evolūcija ir saistīta ar virkni priekšrocību salīdzinājumā ar prokariotiem. Lieluma, sarežģītības un sadalījuma palielināšanās ļāva strauji attīstīties jaunām bioķīmiskajām funkcijām.

Pēc eikariotu šūnas ierašanās nāca daudzšūnu. Ja šūna "vēlas" izbaudīt lielāka izmēra priekšrocības, tā nevar vienkārši augt, jo šūnas virsmai jābūt lielai attiecībā pret tās tilpumu.

Tādējādi organismi, kuros ir vairāk nekā viena šūna, varēja palielināt savu izmēru un sadalīt uzdevumus starp vairākām šūnām, kas tos veido.

Atsauces

1. Altstein, AD (2015). Progēnas hipotēze: nukleoproteīnu pasaule un kā sākās dzīve. Biology Direct, 10, 67.
2. Andersons, PW (1983). Ieteicamais prebiotisko evolūcijas modelis: haosa izmantošana. Nacionālās zinātņu akadēmijas raksti, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Bioloģija: Dzīve uz Zemes. Pīrsona izglītība.
4. Kempbela, AN, un Reece, JB (2005). Bioloģija. Redakcija Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). Bioloģija 1: konstruktīvistu pieeja. Pīrsona izglītība.
6. Hogeweg, P., and Takeuchi, N. (2003). Daudzlīmeņu izvēle prebiotiskās evolūcijas modeļos: nodalījumi un telpiskā pašorganizācija. Dzīves pirmsākumi un biosfēras evolūcija, 33 (4–5), 375–403.
7. Lazcano, A., un Millers, SL (1996). Dzīves izcelsme un agrīnā evolūcija: prebiotiskā ķīmija, pirms-RNS pasaule un laiks. Cell, 85 (6), 793-798.
8. Makkennijs, K., un Alfonzo, J. (2016). No prebiotikām līdz probiotikām: tRNS modifikāciju evolūcija un funkcijas. Dzīve, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF un Szostak, JW (2010). Šūnu dzīves pirmsākumi. Aukstā pavasara ostas perspektīvas bioloģijā, a002212.
10. Silvestrs, DA, un Fontanari, JF (2008). Iepakojuma modeļi un prebiotisko evolūcijas informācijas krīze. Teorētiskās bioloģijas žurnāls, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P., un Mavelli, F. (2015). Protošūnu modeļi dzīves izcelsmē un sintētiskajā bioloģijā. Dzīve, 5 (4), 1700–1702.