SOLUN ALKUPERÄ: PÄÄTEORIAT (PROKARYOOTTINEN JA EUKARYOOTTI) - BIOLOGIA - 2026

Alkuperä solun juontaa juurensa yli 3,5 miljardia vuotta vanha. Tapa, jolla nämä toiminnalliset yksiköt syntyivät, on herättänyt tutkijoiden uteliaisuutta useiden vuosisatojen ajan.

Elämän alkuperää sinänsä seurasi solujen alkuperä. Alkeellisessa ympäristössä ympäristöolosuhteet olivat hyvin erilaisia ​​kuin mitä tänään havaitsemme. Happipitoisuus oli käytännössä nolla, ja ilmakehää hallitsi toinen kaasukoostumus.

Lähde: pixabay.com

Erilaiset laboratoriossa saadut kokemukset ovat osoittaneet, että maan alkuperäisissä ympäristöolosuhteissa orgaanisille järjestelmille ominaisten erilaisten biomolekyylien, nimittäin aminohappojen, sokereiden, polymeroituminen on mahdollista.

Molekyyli, jolla on katalyyttinen kyky ja replikoitua itselleen (mahdollisesti RNA), voisi olla suljettu fosfolipidikalvoon, muodostaen ensimmäiset primitiiviset prokaryoottisolut, jotka kehittyivät darwiinien periaatteiden mukaisesti.

Samoin eukaryoottisolun alkuperä selitetään yleensä endosymbioottiteorian avulla. Tämä ajatus tukee sitä, että suuri bakteeri valloitti pienemmän ja ajan myötä syntyi tänään tunnetut organelit (kloroplastit ja mitokondriat).

Soluteoria

Solu on termi, joka tulee latinalaisesta juurisolusta, joka tarkoittaa onttoa. Nämä ovat elävien asioiden toiminnalliset ja rakenteelliset yksiköt. Termiä käytti ensimmäisen kerran 1700-luvulla tutkija Robert Hooke, kun hän tutki korkkisivua mikroskoopin valossa ja havaitsi eräänlaisia ​​soluja.

Tämän löytön myötä enemmän tutkijoita - etenkin Theodor Schwannin ja Matthias Schleidenin kommentteja - kiinnostui elävän aineen mikroskooppisesta rakenteesta. Tällä tavalla syntyi yksi biologian tärkeimmistä pilareista: soluteoria.

Teorian mukaan: (a) kaikki orgaaniset olennot koostuvat soluista; b) solut ovat elämän yksikkö; c) kemialliset reaktiot, jotka ylläpitävät elämää, tapahtuvat solun rajoissa ja (d) kaikki elämä tulee aikaisemmasta elämästä.

Tämä viimeinen postulaatti on yhteenveto kuuluisassa Rudolf Virchow -lauseessa: "omnis cellula e cellula" - kaikki solut ovat peräisin muista jo olemassa olevista soluista. Mutta mistä ensimmäinen solu tuli? Seuraavaksi kuvaamme tärkeimmät teoriat, joilla pyritään selittämään ensimmäisten solurakenteiden alkuperä.

Prokaryoottisen solun evoluutio

Elämän alkuperä on ilmiö, joka liittyy läheisesti solujen alkuperään. Maapallolla on olemassa kaksi solumuotoa: prokaryootit ja eukaryootit.

Molemmat linjat eroavat periaatteessa monimutkaisuutensa ja rakenteensa suhteen, eukaryootit ovat suurempia ja monimutkaisempia organismeja. Tämä ei tarkoita sitä, että prokaryootit olisivat yksinkertaisia ​​- yksittäinen prokaryoottinen organismi on erilaisten molekyylikompleksien organisoitu ja monimutkainen taajama.

Molempien elämänalojen kehitys on yksi mielenkiintoisimmista kysymyksistä biologian maailmassa.

Kronologisesti elämän arvioidaan olevan 3,5-3,8 miljardia vuotta vanha. Tämä ilmestyi noin 750 miljoonaa vuotta maan muodostumisen jälkeen.

Varhaisten elämänmuotojen kehitys: Millerin kokeet

1920-luvun alkupuolella ajatus siitä, että orgaaniset makromolekyylit voisivat polymeroitua spontaanisti primitiivisen ilmakehän ympäristöolosuhteissa - alhaisilla happipitoisuuksilla ja korkeilla CO _{2: n} ja N _{2: n} pitoisuuksilla, samoin kuin sarjalla kaasujen, kuten H ₂, H ₂ S, ja CO.

Oletetaan, että hypoteettinen primitiivinen ilmapiiri tarjosi pelkistävän ympäristön, joka yhdessä energialähteen (kuten auringonvalon tai sähköpurkausten) kanssa loi olosuhteet orgaanisten molekyylien polymerointiin.

Tutkija Stanley Miller vahvisti tämän teorian kokeellisesti vuonna 1950 jatko-opintojensa aikana.

Tarve molekyylille, jolla on itsensä replikoivat ja katalyyttiset ominaisuudet: RNA: n maailma

Sen jälkeen kun kaikista elävistä olennoista löydettävien molekyylien muodostumiseen tarvittavat olosuhteet on määritelty, on tarpeen ehdottaa alkeellista molekyyliä, jolla on kyky tallentaa tietoa ja replikoida itseään - nykyiset solut tallentavat geneettisen tiedon neljän kielen alla. nukleotidit DNA-molekyylissä.

Tähän mennessä paras ehdokas tähän molekyyliin on RNA. Vasta 1980-luvulla tutkijat Sid Altman ja Tom Cech löysivät tämän nukleiinihapon katalyyttiset kyvyt, mukaan lukien nukleotidien polymerointi - kriittinen vaihe elämän ja solujen evoluutiossa.

Näistä syistä uskotaan, että elämä alkoi käyttää RNA: ta geneettisenä materiaalina eikä DNA: ta, kuten suurin osa nykyisistä muodoista.

Elämän esteiden rajoittaminen: fosfolipidit

Kun makromolekyylit ja molekyyli, joka kykenevät tallentamaan tietoa ja replikoitumaan, on saatu aikaan, biologisen kalvon olemassaolo on välttämätöntä elävän ja solunulkoisen ympäristön välisten rajojen määrittämiseksi. Evoluutiossa tämä vaihe merkitsi ensimmäisten solujen alkuperää.

Ensimmäisen solun uskotaan syntyneen RNA-molekyylistä, jonka sulki fosfolipideistä koostuva kalvo. Viimeksi mainitut ovat amfipaattisia molekyylejä, mikä tarkoittaa, että yksi osa on hydrofiilistä (liukenee veteen) ja toinen osa on hydrofobista (ei liukene veteen).

Kun fosfolipidit liuotetaan veteen, niillä on kyky aggregoitua spontaanisti ja muodostaa lipidikerros. Napapäät on ryhmitelty kohti vesipitoista ympäristöä ja hydrofobiset hännät sisällä, kosketuksissa toisiinsa.

Tämä este on termodynaamisesti vakaa ja luo lokeron, jonka avulla solu voidaan erottaa solunulkoisesta ympäristöstä.

Ajan kuluessa lipidikalvoon suljettu RNA jatkoi evoluutiopolkuaan seuraten darwinianmekanismeja - kunnes se esitti monimutkaisia ​​prosesseja, kuten proteiinisynteesi.

Metabolian kehitys

Kun nämä alkeelliset solut olivat muodostuneet, metabolisten reittien kehitys, jotka tunnemme tänään, alkoi. Uskottavin skenaario ensimmäisten solujen alkuperälle on valtameri, joten ensimmäiset solut pystyivät saamaan ruokaa ja energiaa suoraan ympäristöstä.

Kun ruoasta tuli niukkaa, tiettyjen solumuunnelmien piti ilmetä vaihtoehtoisilla menetelmillä saada ruokaa ja tuottaa energiaa, joka antoi heidän jatkaa replikaatiota.

Solun metabolian luominen ja hallinta on välttämätöntä sen jatkuvuudelle. Itse asiassa tärkeimmät metaboliset reitit ovat laajalti säilyneet nykyisten organismien keskuudessa. Esimerkiksi sekä bakteeri että nisäkäs suorittavat glykolyysiä.

On ehdotettu, että energiantuotanto kehittyisi kolmessa vaiheessa, alkaen glykolyysi, jota seuraa fotosynteesi, ja päättyen oksidatiiviseen aineenvaihduntaan.

Koska alkeellisessa ympäristössä puuttui happea, on todennäköistä, että varhaiset metaboliset reaktiot toteutuivat ilman sitä.

Eukaryoottisolun evoluutio

Solut olivat ainutlaatuisesti prokaryoottisia noin 1,5 miljardia vuotta sitten. Tässä vaiheessa ilmestyivät ensimmäiset solut, joilla oli todellinen ydin ja itse organelit. Kirjallisuuden näkyvin teoria, joka selittää organelleiden kehityksen, on endosymbioottinen teoria (endo tarkoittaa sisäistä).

Organismeja ei ole eristetty ympäristöstään. Biologisissa yhteisöissä esiintyy useita vuorovaikutuksia, sekä antagonistisia että synergistisiä. Eri vuorovaikutuksissa käytetty kattotermi on symbioosi - aiemmin käytetty vain kahden lajin keskinäisiin suhteisiin.

Organismien välisillä vuorovaikutuksilla on tärkeitä evoluutiovaikutuksia, ja dramaattisin esimerkki tästä on endosymbioottinen teoria, jonka amerikkalainen tutkija Lynn Margulis ehdotti alun perin 1980-luvulla.

Endosymbioottisen teorian postulaatit

Tämän teorian mukaan jotkut eukaryoottiset organelit - kuten kloroplastit ja mitokondriat - olivat alun perin vapaasti eläviä prokaryoottisia organismeja. Tietyssä evoluution vaiheessa suurempi nielaisi prokaryootin, mutta sitä ei sulatettu. Sen sijaan hän selvisi ja oli loukussa suuremmassa organismissa.

Selviytymisen lisäksi kahden organismin väliset lisääntymisajat synkronoitiin, ja ne siirtyivät peräkkäisille sukupolville.

Klooroplastien tapauksessa imeytyneellä organismilla oli kaikki entsymaattiset koneistot fotosynteesin suorittamiseksi, toimittaen suuremmalle organismille näiden kemiallisten reaktioiden tuotteet: monosakkaridit. Mitokondrioiden tapauksessa oletetaan, että imeytynyt prokaryootti voi olla esi-isän a-proteobakteerit.

Suuremman isäntäorganismin mahdollinen identiteetti on kuitenkin kirjallisuudessa avoin kysymys.

Sulautunut prokaryoottinen organismi menetti soluseinämänsä ja koko evoluutiossa tehtiin asiaankuuluvat modifikaatiot, jotka olivat lähtöisin nykyaikaisista organelleista. Tämä on pohjimmiltaan endosymbioottinen teoria.

Todisteet endosymbioottiteoriasta

Nykyään on olemassa useita tosiasioita, jotka tukevat endosymbioositeoriaa, nimittäin: (a) nykyisten mitokondrioiden ja kloroplastien koko on samanlainen kuin prokaryoottien koko; (b) näillä organelleilla on oma geneettinen aineisto ja ne syntetisoivat osan proteiineista, vaikka ne eivät olekaan täysin riippumattomia ytimestä ja (c) molempien biologisten kokonaisuuksien välillä on useita biokemiallisia samankaltaisuuksia.

Eukaryoottisuuden etuja

Eukaryoottisolujen evoluutio liittyy joukko etuja prokaryooteihin nähden. Koon, monimutkaisuuden ja osastoitumisen lisääntyminen mahdollisti uusien biokemiallisten toimintojen nopean kehittymisen.

Eukaryoottisolujen saapumisen jälkeen tuli monisoluinen. Jos solu "haluaa" nauttia suuremman koon eduista, se ei voi yksinkertaisesti kasvaa, koska solun pinnan on oltava suuri suhteessa sen tilavuuteen.

Siten organismit, joissa on enemmän kuin yksi solu, pystyivät suurentamaan kokoaan ja jakamaan tehtävät niiden muodostavien useiden solujen kesken.

Viitteet

1. Altstein, AD (2015). Progeenihypoteesi: nukleoproteiinimaailma ja miten elämä alkoi. Biology Direct, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). Ehdotettu malli prebioottiselle evoluutiolle: kaaoksen käyttö. Kansallisen tiedeakatemian julkaisut, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologia: Elämä maan päällä. Pearson-koulutus.
4. Campbell, AN, ja Reece, JB (2005). Biologia. Toimittaja Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). Biologia 1: konstruktivistinen lähestymistapa. Pearson koulutus.
6. Hogeweg, P., ja Takeuchi, N. (2003). Monitasoinen valinta prebioottisen evoluution malleissa: osastot ja alueellinen itseorganisaatio. Elämän alkuperä ja biosfäärin evoluutio, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A., ja Miller, SL (1996). Elämän alkuperä ja varhainen kehitys: prebioottinen kemia, pre-RNA-maailma ja aika. Cell, 85 (6), 793 - 798.
8. McKenney, K., ja Alfonzo, J. (2016). Prebiootikoista probiootteihin: tRNA-modifikaatioiden kehitys ja toiminnot. Elämä, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF ja Szostak, JW (2010). Soluelämän alkuperät. Cold Spring Harbor -perspektiivit biologiassa, a002212.
10. Silvestre, DA, ja Fontanari, JF (2008). Pakkausmallit ja prebioottisen evoluution tietokriisi. Lehti teoreettisesta biologiasta, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P., ja Mavelli, F. (2015). Protosolujen mallit elämän alkuperästä ja synteettisestä biologiasta. Life, 5 (4), 1700–1702.