ПОРИЈЕКЛО ЋЕЛИЈЕ: ГЛАВНЕ ТЕОРИЈЕ (ПРОКАРИОТСКЕ И ЕУКАРИОТСКЕ) - БИОЛОГИЈА - 2025

Порекло ћелија датира више од 3,5 милијарди година. Начин на који су настале ове функционалне јединице побудио је радозналост научника током векова.

Порекло живота је само по себи пратило порекло ћелија. У примитивном окружењу услови животне средине су се веома разликовали од данашњих које посматрамо. Концентрација кисеоника је била практично нула, а атмосфером је доминирао други састав гасова.

Извор: пикабаи.цом

Различита искуства у лабораторији показала су да је у почетним околним условима Земље могућа полимеризација различитих биомолекула карактеристичних за органске системе, наиме: аминокиселина, шећера, итд.

Молекул који има каталитичку способност и који би се могао реплицирати (потенцијално, РНА) могао би бити затворен у фосфолипидну мембрану, формирајући прве примитивне прокариотске ћелије, које су еволуирале слиједећи дарвинске принципе.

Исто тако, порекло еукариотске ћелије обично се објашњава коришћењем ендосимбиотске теорије. Ова идеја подржава да је велика бактерија прогутала мању и временом су настале органеле какве данас познајемо (хлоропласти и митохондрије).

Теорија ћелија

Ћелија је термин који потиче од латинског ћелија коријена, што значи шупље. Ово су функционалне и структуралне јединице живих бића. Термин је први пут употребио истраживач Роберт Хооке у 17. веку, када је под светлошћу микроскопа прегледавао плочу од плуте и опажао неку врсту ћелија.

Овим открићем, више научника - посебно доприноси Тхеодора Сцхванна и Маттхиаса Сцхлеидена - постало је заинтересовано за микроскопску структуру живе материје. На тај начин рођен је један од најважнијих стубова биологије: теорија ћелија.

Теорија каже да: (а) су сва органска бића сачињена од ћелија; (б) ћелије су јединица живота; (ц) хемијске реакције које одржавају живот одвијају се у границама ћелије и (д) цео живот потиче из већ постојећег живота.

Овај последњи постулат сажет је у чувеној фрази Рудолфа Вирхова: "омнис целлула е целлула" - све ћелије су изведене из других већ постојећих ћелија. Али одакле је прва ћелија? Даље ћемо описати главне теорије које настоје објаснити поријекло првих ћелијских структура.

Еволуција ћелије прокариота

Порекло живота је феномен уско повезан са пореклом ћелија. На земљи постоје два ћелијска облика живота: прокариоти и еукариоти.

Обе линије се у основи разликују по сложености и структури, при чему су еукариоти већи и сложенији организми. То не значи да су прокариоти једноставни - један прокариотски организам је организована и замршена агломерација различитих молекуларних комплекса.

Еволуција обе гране живота једно је од најузбудљивијих питања у свету биологије.

Хронолошки, процењује се да је живот стар 3,5 до 3,8 милијарди година. Ово се појавило отприлике 750 милиона година након формирања Земље.

Еволуција раних животних форми: Миллерови експерименти

У раним 1920 Идеја да органски макромолекула спонтано полимеризацији под условима примитивне атмосфере еколошким - са ниским концентрацијама кисеоника и високим концентрацијама ЦО ₂ и Н ₂ , као и низ гасова попут Х ₂ , Х ₂ С, и ЦО.

Претпоставља се да је хипотетичка примитивна атмосфера обезбедила редукционо окружење, што је заједно са извором енергије (попут сунчеве светлости или електричних пражњења) створио услове погодне за полимеризацију органских молекула.

Ову теорију експериментално је 1950. године потврдио истраживач Станлеи Миллер током дипломског студија.

Потреба за молекулом са самообновљујућим и каталитичким својствима: свет РНА

Након прецизирања неопходних услова за формирање молекула које налазимо у свим живим бићима, неопходно је предложити примитивни молекул са способношћу складиштења информација и реплицирања - тренутне ћелије похрањују генетску информацију на језику од четири нуклеотиди у молекули ДНК.

До данас је најбољи кандидат за овај молекул РНА. Тек 1980. године истраживачи Сид Алтман и Том Цецх открили су каталитичке способности ове нуклеинске киселине, укључујући полимеризацију нуклеотида - критични корак у еволуцији живота и ћелија.

Из тих разлога се верује да је живот почео да користи РНА као генетски материјал, а не ДНК као што то чини велика већина тренутних облика.

Ограничавање баријера живота: фосфолипиди

Једном када се добију макромолекуле и молекул који је способан да чува информације и сам реплицира, постојање биолошке мембране је неопходно да би се утврдиле границе између животног и ванћелијског окружења. Еволуцијски је овај корак означио порекло првих ћелија.

Верује се да је прва ћелија настала из РНА молекула који је био затворен мембраном састављеном од фосфолипида. Потоњи су амфипатски молекули, што значи да је један део хидрофилни (растворљив у води), а други део хидрофобан (није растворљив у води).

Када се фосфолипиди растварају у води, они имају способност да се спонтано агрегирају и формирају липидни двослојни. Поларне главе су групиране окренуте према воденој средини и хидрофобним реповима унутра, у међусобном додиру.

Ова баријера је термодинамички стабилна и ствара претинац који омогућава одвајање ћелије од ванћелијског окружења.

С временом је РНА затворена у липидну мембрану наставила свој еволутивни пут следећи Дарвинов механизме - све док није представила сложене процесе као што је синтеза протеина.

Еволуција метаболизма

Једном када су те примитивне ћелије формиране, почео је развој метаболичких путева какве познајемо данас. Најпоузданији сценарио за порекло првих ћелија је океан, тако да су прве ћелије могле да добију храну и енергију директно из окружења.

Кад храна постане оскудна, морале су се појавити одређене варијанте ћелија алтернативним методама добијања хране и стварања енергије које су им омогућиле да наставе с размножавањем.

Стварање и контрола ћелијског метаболизма су неопходни за његов континуитет. У ствари, главни метаболички путеви су широко очувани међу тренутним организмима. На пример, и бактерија и сисар спроводе гликолизу.

Предложено је да се производња енергије развија у три фазе, почевши од гликолизе, затим фотосинтезе и завршавајући оксидативним метаболизмом.

Пошто је примитивном окружењу недостајало кисеоника, вероватно је да су ране метаболичке реакције прошле без њега.

Еволуција ћелије еукариота

Ћелије су биле јединствено прокариотске до пре око 1,5 милијарди година. У овој фази појавиле су се прве ћелије са правим нуклеусом и органелама. Најистакнутија теорија у литератури која објашњава еволуцију органела је ендосимбиотска теорија (ендо значи унутрашња).

Организми нису изолирани у свом окружењу. Биолошке заједнице представљају вишеструке интеракције, и антагонистичке и синергистичке. Кишобран појам који се користи за различите интеракције је симбиоза - која се раније користила само за међусобне односе две врсте.

Интеракције између организама имају важне еволуцијске посљедице, а најдраматичнији примјер је ендосимбиотска теорија коју је у 1980-има првотно предложила америчка истраживачица Линн Маргулис.

Постулати ендосимбиотске теорије

Према овој теорији, неки еукариотски органели - попут хлоропласта и митохондрија - су у почетку били прокариотски организми који живе слободно. У неком тренутку еволуције, прокариот је прогутао већи, али није пробављен. Уместо тога, преживео је и био заробљен у већем организму.

Поред преживљавања, репродуктивна времена између два организма су синхронизована, успевајући да пређу на следеће генерације.

У случају хлоропласта, захваћени организам је показао сву ензимску машину за извођење фотосинтезе, снабдевајући већи организам производима ових хемијских реакција: моносахаридима. У случају митохондрија, претпостављено је да захваћени прокариот може бити проте-бактерија предака.

Међутим, потенцијални идентитет већег организма домаћина је отворено питање у литератури.

Заокупљени прокариотски организам изгубио је своју ћелијску стијенку, а током еволуције претрпео је одговарајуће модификације које су настале од модерних органела. Ово је, у суштини, ендосимбиотска теорија.

Докази за ендосимбиотску теорију

Тренутно постоји више чињеница које подржавају теорију о ендосимбиози, наиме: (а) величина тренутних митохондрија и хлоропласта је слична величини прокариота; (б) ови органели имају свој генетски материјал и синтетишу део протеина, иако нису потпуно независни од језгра и (ц) постоје више биохемијских сличности између оба биолошка ентитета.

Предности еукариотске

Еволуција ћелија еукариота повезана је са низом предности у односу на прокариоте. Повећавање величине, сложености и раздељивања омогућило је брзи развој нових биохемијских функција.

Након доласка еукариотске ћелије, дошло је до вишећеличности. Ако ћелија "жели" да ужива благодати веће величине, она не може просто да расте, јер површина ћелије мора бити велика у односу на њен волумен.

Дакле, организми са више ћелија били су у стању да повећају своју величину и распореде задатке међу више ћелија које их чине.

Референце

1. Алтстеин, АД (2015). Прогене хипотеза: нуклеопротеин свет и како је живот почео. Биологи Дирецт, 10, 67.
2. Андерсон, ПВ (1983). Предложени модел за пребиотичку еволуцију: Употреба хаоса. Зборник радова Националне академије наука, 80 (11), 3386-3390.
3. Аудесирк, Т., Аудесирк, Г., & Биерс, БЕ (2003). Биологија: Живот на Земљи. Пеарсоново образовање.
4. Цампбелл, АН, и Рееце, ЈБ (2005). Биологија. Уредништво Медица Панамерицана.
5. Гама, М. (2007). Биологија 1: конструктивистички приступ. Пеарсон Едуцатион.
6. Хогевег, П., & Такеуцхи, Н. (2003). Одабир на више нивоа у моделима пребиотске еволуције: одељци и просторна самоорганизација. Порекло живота и еволуција биосфере, 33 (4-5), 375-403.
7. Лазцано, А., и Миллер, СЛ (1996). Порекло и рана еволуција живота: пребиотска хемија, пре-РНА свет и време. Ћелија, 85 (6), 793-798.
8. МцКеннеи, К. и Алфонзо, Ј. (2016). Од пребиотика до пробиотика: еволуција и функције модификација тРНА. Живот, 6 (1), 13.
9. Сцхрум, ЈП, Зху, ТФ и Сзостак, ЈВ (2010). Порекло ћелијског живота. Перспективе Хладног Спринг Харбор-а у биологији, а002212.
10. Силвестре, ДА и Фонтанари, ЈФ (2008). Модели пакета и информациона криза пребиотичке еволуције. Часопис за теоријску биологију, 252 (2), 326-337.
11. Стано, П. и Мавелли, Ф. (2015). Модели протоцели у пореклу живота и синтетичка биологија. Живот, 5 (4), 1700–1702.