CELLENS URSPRUNG: HUVUDTEORIER (PROKARYOT OCH EUKARYOT) - BIOLOGI - 2025

Den ursprung cell går tillbaka mer än 3,5 miljarder år gammal. Hur dessa funktionella enheter har sitt ursprung har väckt forskarnas nyfikenhet i flera århundraden.

Livets ursprung i sig åtföljdes av cellernas ursprung. I en primitiv miljö var miljöförhållandena mycket annorlunda än vad vi observerar idag. Syrekoncentrationen var praktiskt taget noll och atmosfären dominerades av en annan gaskomposition.

Källa: pixabay.com

Olika erfarenheter i laboratoriet har visat att under jordens ursprungliga miljöförhållanden är polymerisation av olika biomolekyler som är karakteristiska för organiska system möjlig, nämligen: aminosyror, socker, etc.

En molekyl med katalytisk kapacitet och för att replikera sig själv (potentiellt ett RNA) kan inneslutas i ett fosfolipidmembran och bilda de första primitiva prokaryota cellerna, som utvecklades enligt Darwinian principer.

På samma sätt förklaras ursprunget till den eukaryota cellen vanligtvis med hjälp av den endosymbiotiska teorin. Denna idé stöder att en stor bakterie uppslukade en mindre och med tiden gått från de organeller som vi känner idag (kloroplaster och mitokondrier).

Cellteorin

Cell är en term som kommer från den latinska rotcellulären, vilket betyder ihålig. Dessa är de funktionella och strukturella enheterna för levande saker. Begreppet användes först på 1600-talet av forskaren Robert Hooke, när han undersökte ett ark med kork under ljuset från ett mikroskop och observerade ett slags celler.

Med denna upptäckt blev fler forskare - särskilt Theodor Schwanns och Matthias Schleidens bidrag - intresserade av den mikroskopiska strukturen för levande material. På detta sätt föddes en av de viktigaste pelarna i biologin: cellteori.

Teorin säger att: (a) alla organiska varelser består av celler; (b) celler är livets enhet; (c) de kemiska reaktionerna som upprätthåller liv inträffar inom cellens gränser och (d) allt liv kommer från befintligt liv.

Denna sista postulat sammanfattas i den berömda frasen från Rudolf Virchow: "omnis cellula e cellula" - alla celler är härledda från andra redan befintliga celler. Men var kom den första cellen ifrån? Därefter kommer vi att beskriva de viktigaste teorierna som försöker förklara ursprunget till de första cellulära strukturerna.

Utvecklingen av den prokaryota cellen

Livets ursprung är ett fenomen nära kopplat till cellernas ursprung. På jorden finns det två cellulära livsformer: prokaryoter och eukaryoter.

Båda linjerna skiljer sig i princip utifrån deras komplexitet och struktur, där eukaryoter är större och mer komplexa organismer. Detta säger inte att prokaryoter är enkla - en enda prokaryotisk organisme är en organiserad och komplicerad agglomeration av olika molekylkomplex.

Utvecklingen av båda livets grenar är en av de mest spännande frågorna i biologiens värld.

Kronologiskt beräknas livet vara 3,5 till 3,8 miljarder år gammalt. Detta dök upp ungefär 750 miljoner år efter bildandet av jorden.

Evolution av tidiga livsformer: Millers experiment

I början av 1920-talet idén att organiska makromolekyler kunde polymerisera spontant under omgivningsbetingelserna i en primitiv atmosfär - med låga syrehalter och höga koncentrationerna av CO ₂ och N ₂ , såväl som en serie av av gaser som H ₂ , H ₂ S, och CO.

Det antas att den hypotetiska primitiva atmosfären tillhandahöll en reducerande miljö, som tillsammans med en energikälla (såsom solljus eller elektriska urladdningar) skapade de förhållanden som gynnade polymerisationen av organiska molekyler.

Denna teori bekräftades experimentellt av forskaren Stanley Miller under hans forskarutbildning.

Behovet av en molekyl med självreplikerande och katalytiska egenskaper: RNA: s värld

Efter att ha specificerat de nödvändiga förhållandena för bildandet av molekylerna som vi hittar i alla levande varelser, är det nödvändigt att föreslå en primitiv molekyl med förmågan att lagra information och replikera sig själv - nuvarande celler lagrar genetisk information under ett språk på fyra nukleotider i DNA-molekylen.

Hittills är den bästa kandidaten för denna molekyl RNA. Det var först 1980 som forskarna Sid Altman och Tom Cech upptäckte den katalytiska kapaciteten hos denna nukleinsyra, inklusive polymerisationen av nukleotider - ett kritiskt steg i utvecklingen av liv och celler.

Av dessa skäl tror man att livet började använda RNA som genetiskt material, och inte DNA som de allra flesta nuvarande former gör.

Begränsa livshinder: fosfolipider

När makromolekylerna och molekylen som kan lagra information och replikera sig själva har erhållits, är förekomsten av ett biologiskt membran nödvändigt för att bestämma gränserna mellan den levande och den extracellulära miljön. Evolutionärt markerade detta steg ursprunget för de första cellerna.

Den första cellen tros ha uppstått från en RNA-molekyl som var innesluten av ett membran bestående av fosfolipider. De senare är amfipatiska molekyler, vilket innebär att en del är hydrofil (löslig i vatten) och den andra delen är hydrofob (inte löslig i vatten).

När fosfolipider löses i vatten, har de förmågan att spontant aggregeras och bilda ett lipid-tvåskikt. De polära huvuden är grupperade mot den vattenhaltiga miljön och de hydrofoba svansarna inuti, i kontakt med varandra.

Denna barriär är termodynamiskt stabil och skapar ett fack som gör att cellen kan separeras från den extracellulära miljön.

Med tiden gick fortsatte RNA inneslutet i lipidmembranet sin evolutionära väg efter darwiniska mekanismer - tills det presenterade komplexa processer såsom proteinsyntes.

Utveckling av metabolism

När dessa primitiva celler bildades började utvecklingen av de metaboliska vägar som vi känner idag. Det mest troliga scenariot för ursprunget till de första cellerna är havet, så de första cellerna kunde få mat och energi direkt från miljön.

När mat blev knapp, måste vissa cellvarianter dyka upp med alternativa metoder för att få mat och generera energi som gjorde att de kunde fortsätta sin replikering.

Generering och kontroll av cellmetabolism är avgörande för dess kontinuitet. Faktum är att de huvudsakliga metaboliska vägarna bevaras i stor utsträckning bland nuvarande organismer. Till exempel utför både en bakterie och ett däggdjur glykolys.

Det har föreslagits att energiproduktion utvecklades i tre steg, börjar med glykolys, följt av fotosyntes och slutar med oxidativ metabolism.

Eftersom den primitiva miljön saknade syre är det troligt att tidiga metaboliska reaktioner gjorde det utan den.

Utvecklingen av den eukaryota cellen

Cellerna var unikt prokaryota tills för cirka 1,5 miljarder år sedan. I detta skede dök de första cellerna med en verklig kärna och organeller själva upp. Den mest framträdande teorin i litteraturen som förklarar utvecklingen av organeller är den endosymbiotiska teorin (endo betyder intern).

Organismer är inte isolerade i sin miljö. Biologiska samhällen presenterar flera interaktioner, både antagonistiska och synergistiska. Ett paraplybegrepp som används för olika interaktioner är symbios - tidigare endast använt för ömsesidiga förhållanden mellan två arter.

Interaktioner mellan organismer har viktiga evolutionära konsekvenser, och det mest dramatiska exemplet på detta är den endosymbiotiska teorin, som ursprungligen föreslogs av den amerikanska forskaren Lynn Margulis på 1980-talet.

Postulat av endosymbiotisk teori

Enligt denna teori var vissa eukaryota organeller - som kloroplaster och mitokondrier - ursprungligen frittlevande prokaryota organismer. Vid någon tidpunkt i evolutionen svalde en prokaryot av en större, men smältes inte. Istället överlevde han och fångades i den större organismen.

Förutom överlevnad synkroniserades reproduktionstiderna mellan de två organismerna, vilket lyckades övergå till påföljande generationer.

När det gäller kloroplaster uppvisade den uppslukade organismen alla enzymatiska maskiner för att utföra fotosyntes, vilket försåg den större organismen med produkterna från dessa kemiska reaktioner: monosackarider. När det gäller mitokondrier antas det att den uppslukade prokaryoten kan vara ett förfäder α-proteobacteria.

Men den större värdorganismens potentiella identitet är en öppen fråga i litteraturen.

Den uppslukade prokaryotiska organismen förlorade sin cellvägg, och genom hela utvecklingen genomgick de relevanta förändringar som härstammade moderna organeller. Detta är i huvudsak den endosymbiotiska teorin.

Bevis för den endosymbiotiska teorin

Det finns för närvarande flera fakta som stöder teorin om endosymbios, nämligen: (a) storleken på nuvarande mitokondrier och kloroplaster liknar den för prokaryoter; (b) dessa organeller har sitt eget genetiska material och syntetiserar en del av proteinerna, även om de inte är helt oberoende av kärnan och (c) det finns flera biokemiska likheter mellan båda biologiska enheter.

Fördelar med att vara eukaryota

Utvecklingen av eukaryota celler är associerad med en rad fördelar jämfört med prokaryoter. Ökningen i storlek, komplexitet och avdelning möjliggjorde snabb utveckling av nya biokemiska funktioner.

Efter ankomsten av den eukaryota cellen kom flercellularitet. Om en cell "vill" njuta av fördelarna med en större storlek kan den inte bara växa, eftersom cellytan måste vara stor relativt sin volym.

Således kunde organismer med mer än en cell öka sin storlek och fördela uppgifterna mellan flera celler som komponerar dem.

referenser

1. Altstein, AD (2015). Progenhypotesen: nukleoproteinvärlden och hur livet började. Biology Direct, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). Föreslagen modell för prebiotisk utveckling: Användningen av 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 utbildning.
4. Campbell, AN, & Reece, JB (2005). Biologi. Redaktör Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). Biologi 1: en konstruktivistisk metod. Pearson Education.
6. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Urval i flera nivåer i modeller för prebiotisk utveckling: fack och rumslig självorganisation. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). Livets ursprung och tidiga utveckling: prebiotisk kemi, världen före RNA och tid. Cell, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K., & Alfonzo, J. (2016). Från prebiotika till probiotika: utvecklingen och funktionerna av tRNA-modifieringar. Life, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF, & Szostak, JW (2010). Ursprunget till cellliv. Cold Spring Harbor-perspektiv i biologi, a002212.
10. Silvestre, DA, & Fontanari, JF (2008). Paketmodeller och informationskrisen för prebiotisk utveckling. Journal of theoretical biology, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P., & Mavelli, F. (2015). Protoceller modeller i livets ursprung och syntetisk biologi. Life, 5 (4), 1700–1702.