PODRIJETLO STANICE: GLAVNE TEORIJE (PROKARIOTSKE I EUKARIOTSKE) - BIOLOGIJA - 2025

Podrijetlo stanica seže više od 3,5 milijarde godina. Način na koji su nastale ove funkcionalne jedinice pobudio je znatiželju znanstvenika nekoliko stoljeća.

Podrijetlo života po sebi bilo je praćeno podrijetlom stanica. U primitivnom su okruženju uvjeti okoliša bili vrlo različiti od današnjih. Koncentracija kisika bila je praktično nula, a u atmosferi je dominirao drugi sastav plinova.

Izvor: pixabay.com

Različita iskustva u laboratoriju pokazala su da je u početnim uvjetima okoliša na Zemlji moguća polimerizacija različitih biomolekula karakterističnih za organske sustave, naime: aminokiselina, šećera, itd.

Molekula sa katalitičkom sposobnošću i koja bi se mogla replicirati (potencijalno, RNA) mogla bi biti zatvorena u fosfolipidnu membranu, tvoreći prve primitivne prokariotske stanice, koje su se razvile slijedeći darvinske principe.

Isto tako, podrijetlo eukariotske stanice obično se objašnjava primjenom endosimbiotske teorije. Ova ideja podupire da je velika bakterija progutala manju i vremenom su nastale organele kakve danas poznajemo (kloroplasti i mitohondrije).

Teorija stanica

Stanica je pojam koji dolazi od latinskog korijenskog celula, što znači šuplje. To su funkcionalne i strukturalne jedinice živih bića. Izraz je prvi put upotrijebio u 17. stoljeću istraživač Robert Hooke, kada je pod svjetlošću mikroskopa pregledavao lim od plute i promatrao svojevrsne stanice.

Ovim otkrićem više znanstvenika - prije svega doprinosa Theodora Schwanna i Matthiasa Schleidena - postalo je zainteresirano za mikroskopsku strukturu žive materije. Na taj je način rođen jedan od najvažnijih stupova biologije: teorija stanica.

Teorija kaže da: (a) su sva organska bića sačinjena od stanica; (b) stanice su jedinica života; (c) kemijske reakcije koje održavaju život odvijaju se u granicama ćelije i (d) cijeli život potječe iz prije postojećeg života.

Ovaj posljednji postulat sažet je u poznatoj frazi Rudolfa Virchowa: "omnis cellula e cellula" - sve ćelije su izvedene iz drugih već postojećih stanica. Ali odakle je nastala prva stanica? Dalje ćemo opisati glavne teorije koje nastoje objasniti podrijetlo prvih staničnih struktura.

Evolucija prokariotske stanice

Podrijetlo života je fenomen usko povezan s podrijetlom stanica. Na zemlji postoje dva stanična oblika života: prokarioti i eukarioti.

Obje linije se u osnovi razlikuju po složenosti i strukturi, s tim da su eukarioti veći i složeniji organizmi. To ne znači da su prokarioti jednostavni - jedan prokariotski organizam je organizirana i zamršena aglomeracija različitih molekularnih kompleksa.

Evolucija obje grane života jedno je od najuzbudljivijih pitanja u svijetu biologije.

Kronološki se procjenjuje da je život star 3,5 do 3,8 milijardi godina. To se pojavilo otprilike 750 milijuna godina nakon formiranja Zemlje.

Evolucija ranih životnih oblika: Millerovi eksperimenti

U ranim 1920 ideji da organski makromolekula može polimerizirati spontano pod uvjetima u okolišu primitivne atmosfere - s niskim koncentracijama kisika i visoke koncentracije CO ₂ i N ₂, kao i niz plinova, kao što su H ₂, H ₂ S i CO.

Pretpostavlja se da je hipotetička primitivna atmosfera osiguravala reducirajuće okruženje, što je zajedno s izvorom energije (poput sunčeve svjetlosti ili električnih pražnjenja) stvorio uvjete pogodne za polimerizaciju organskih molekula.

Ovu je teoriju eksperimentalno potvrdio 1950. godine istraživač Stanley Miller tijekom diplomskog studija.

Potreba za molekulom koja se sama umnožava i katalitičkim svojstvima: svijet RNA

Nakon određivanja potrebnih uvjeta za stvaranje molekula koje nalazimo u svim živim bićima, potrebno je predložiti primitivnu molekulu sa sposobnošću pohranjivanja informacija i repliciranja - trenutne stanice pohranjuju genetsku informaciju pod četverostrukim jezikom. nukleotidi u molekuli DNK.

Do danas je najbolji kandidat za ovu molekulu RNA. Tek 1980. godine istraživači Sid Altman i Tom Cech otkrili su katalitičke sposobnosti ove nukleinske kiseline, uključujući polimerizaciju nukleotida - kritični korak u evoluciji života i stanica.

Iz tih razloga se vjeruje da je život počeo koristiti RNA kao genetski materijal, a ne DNK kao što to čini velika većina trenutnih oblika.

Ograničavanje prepreka života: fosfolipidi

Nakon što su dobijene makromolekule i molekula sposobna pohranjivanja informacija i same repliciranja, postojanje biološke membrane je neophodno za određivanje granica između životnog i izvanćelijskog okruženja. Evolucijski je ovaj korak označio podrijetlo prvih stanica.

Vjeruje se da je prva stanica nastala iz molekule RNA koja je bila zatvorena membranom sastavljenom od fosfolipida. Potonji su amfipatske molekule, što znači da je jedan dio hidrofilni (topiv u vodi), a drugi dio hidrofoban (nije topiv u vodi).

Kad se fosfolipidi otope u vodi, oni imaju sposobnost spontane agregacije i stvaranja lipidnog dvosloja. Polarne glave su grupirane okrenute prema vodenoj sredini i hidrofobnim repovima koji su unutra, u međusobnom dodiru.

Ova je barijera termodinamički stabilna i stvara odjeljak koji omogućava odvajanje stanice od vanćelijskog okruženja.

S vremenom je RNA zatvorena u lipidnu membranu nastavila svoj evolucijski put slijedeći Darwinov mehanizme - sve dok nije predstavila složene procese poput sinteze proteina.

Evolucija metabolizma

Jednom kada su te primitivne stanice nastale, započeo je razvoj metaboličkih putova kakve poznajemo danas. Najvjerojatniji scenarij nastanka prvih stanica je ocean, tako da su prve stanice mogle dobiti hranu i energiju izravno iz okoliša.

Kad je hrana postala oskudna, morale su se pojaviti određene varijante stanica alternativnim metodama dobivanja hrane i stvaranja energije koje su omogućile nastavak njihove replikacije.

Stvaranje i kontrola staničnog metabolizma ključna je za njegov kontinuitet. Zapravo su glavni metabolički putevi široko očuvani među trenutnim organizmima. Na primjer, i bakterija i sisavac izvode glikolizu.

Predloženo je da se stvaranje energije razvija u tri stadija, počevši od glikolize, nakon čega slijedi fotosinteza i završava oksidativnim metabolizmom.

Budući da je primitivnom okruženju nedostajalo kisika, vjerojatno je da su rane metaboličke reakcije protekle bez njega.

Evolucija eukariotske stanice

Stanice su bile jedinstveno prokariotske do prije oko 1,5 milijardi godina. U ovoj fazi pojavile su se prve stanice s pravom jezgrom i same organele. Najistaknutija teorija u literaturi koja objašnjava evoluciju organela je endosimbiotska teorija (endo znači unutarnja).

Organizmi nisu izolirani u svom okolišu. Biološke zajednice predstavljaju višestruke interakcije, i antagonističke i sinergističke. Kišobran izraz koji se koristi za različite interakcije je simbioza - koja se prije koristila samo za međusobne odnose dviju vrsta.

Interakcije među organizmima imaju važne evolucijske posljedice, a najdramatičniji primjer za to je endosimbiotska teorija koju je u 1980-ima predložila američka istraživačica Lynn Margulis.

Postulati endosimbiotske teorije

Prema ovoj teoriji, neki eukariotski organeli - poput kloroplasta i mitohondrija - bili su u početku slobodni živi prokariotski organizmi. U nekom trenutku evolucije prokariot je progutao veći, ali nije probavljen. Umjesto toga, preživio je i bio je zarobljen u većem organizmu.

Osim preživljavanja, sinkronizirana su vremena reprodukcije između dva organizma, uspjela preći na slijedeće generacije.

U slučaju kloroplasta, zahvaćeni organizam izložio je sve enzimske strojeve za provođenje fotosinteze, opskrbljujući veći organizam proizvodima tih kemijskih reakcija: monosaharidima. U slučaju mitohondrija pretpostavlja se da zahvaćeni prokariot može biti prote-bakterija predaka.

Međutim, potencijalni identitet većeg organizma domaćina u literaturi je otvoreno pitanje.

Zaokupljeni prokariotski organizam izgubio je staničnu stijenku, a tijekom evolucije pretrpio je odgovarajuće modifikacije koje su nastale modernim organelama. To je, u suštini, endosimbiotska teorija.

Dokazi za endosimbiotsku teoriju

Trenutno postoji više činjenica koje podupiru teoriju o endosimbiozi, naime: (a) veličina trenutnih mitohondrija i kloroplasta slična je veličini prokariota; (b) ovi organeli imaju vlastiti genetski materijal i sintetiziraju dio proteina, iako nisu potpuno neovisni o jezgri i (c) postoje višestruke biokemijske sličnosti između oba biološka entiteta.

Prednosti eukariotske

Evolucija eukariotskih stanica povezana je s nizom prednosti u odnosu na prokariote. Povećanje veličine, složenosti i raspodjele dijelova omogućilo je brzi razvoj novih biokemijskih funkcija.

Nakon dolaska eukariotske stanice, došlo je do višećeličnosti. Ako ćelija "želi" uživati ​​blagodati veće veličine, ne može jednostavno rasti, jer površina stanice mora biti velika u odnosu na njen volumen.

Dakle, organizmi s više stanica mogli su povećati svoju veličinu i rasporediti zadatke među više stanica koje ih čine.

Reference

1. Altstein, AD (2015). Progene hipoteza: nukleoproteinski svijet i kako je započeo život. Biology Direct, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). Predloženi model za prebiotičku evoluciju: Upotreba kaosa. Zbornik radova Nacionalne akademije znanosti, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologija: Život na Zemlji. Pearsonovo obrazovanje.
4. Campbell, AN, & Reece, JB (2005). Biologija. Uredništvo Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). Biologija 1: konstruktivistički pristup. Pearson Education.
6. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Odabir na više nivoa u modelima prebiotske evolucije: odjeljci i prostorna samoorganizacija. Podrijetlo života i evolucija biosfere, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A., i Miller, SL (1996). Podrijetlo i rana evolucija života: prebiotska kemija, svijet prije i RNA. Ćelija, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K., i Alfonzo, J. (2016). Od prebiotika do probiotika: evolucija i funkcije modifikacija tRNA. Život, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF i Szostak, JW (2010). Podrijetlo staničnog života. Perspektive u hladnoj proljetnoj luci u biologiji, a002212.
10. Silvestre, DA i Fontanari, JF (2008). Paketni modeli i informacijska kriza prebiotičke evolucije. Časopis za teorijsku biologiju, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P., i Mavelli, F. (2015). Modeli protocela u podrijetlu života i sintetička biologija. Život, 5 (4), 1700–1702.