CELLENS OPPRINNELSE: HOVEDTEORIER (PROKARYOTISK OG EUKARYOTISK) - BIOLOGI - 2026

Den opprinnelsen av celle dateres tilbake mer enn 3,5 milliarder år gammel. Måten disse funksjonelle enhetene oppsto på har vakt forskernes nysgjerrighet i flere århundrer.

Livets opprinnelse i seg selv ble ledsaget av opprinnelsen til celler. I et primitivt miljø var miljøforholdene veldig forskjellige fra det vi observerer i dag. Oksygenkonsentrasjonen var praktisk talt null, og atmosfæren ble dominert av en annen sammensetning av gasser.

Kilde: pixabay.com

Ulike erfaringer i laboratoriet har vist at under de første miljøforholdene på jorden, er polymerisering av forskjellige biomolekyler som er karakteristiske for organiske systemer, nemlig: aminosyrer, sukker, etc.

Et molekyl med katalytisk kapasitet og for å gjenskape seg selv (potensielt et RNA) kan være innelukket i en fosfolipidmembran, og danne de første primitive prokaryote celler, som utviklet seg etter darwiniske prinsipper.

På samme måte forklares opprinnelsen til den eukaryote cellen vanligvis ved bruk av den endosymbiotiske teorien. Denne ideen støtter at en stor bakterie oppslukt en mindre og med tiden gikk opprinnelsen av organellene som vi kjenner i dag (kloroplaster og mitokondrier).

Celleteorien

Celle er et begrep som kommer fra den latinske rotcellulaen, som betyr hul. Dette er de funksjonelle og strukturelle enhetene til levende ting. Begrepet ble først brukt på 1600-tallet av forsker Robert Hooke, da han undersøkte et ark med kork under lys av et mikroskop og observerte en slags celler.

Med denne oppdagelsen ble flere forskere - særlig bidragene fra Theodor Schwann og Matthias Schleiden - interessert i den mikroskopiske strukturen til levende materie. På denne måten ble en av de viktigste pilarene i biologien født: celle teori.

Teorien hevder at: (a) alle organiske vesener består av celler; (b) celler er livets enhet; (c) de kjemiske reaksjonene som opprettholder liv, skjer innenfor cellens grenser, og (d) alt liv kommer fra eksisterende levetid.

Dette siste postulatet er oppsummert i den berømte frasen til Rudolf Virchow: "omnis cellula e cellula" - alle celler er avledet fra andre allerede eksisterende celler. Men hvor kom den første cellen fra? Deretter vil vi beskrive hovedteoriene som søker å forklare opprinnelsen til de første cellulære strukturer.

Evolusjon av den prokaryote cellen

Livets opprinnelse er et fenomen nært knyttet til cellens opprinnelse. På jorden er det to cellulære livsformer: prokaryoter og eukaryoter.

Begge avstamninger er i utgangspunktet forskjellige når det gjelder deres kompleksitet og struktur, hvor eukaryoter er større og mer komplekse organismer. Dette er ikke å si at prokaryoter er enkle - en enkelt prokaryotisk organisme er en organisert og intrikat agglomerering av forskjellige molekylkomplekser.

Evolusjonen til begge livets grener er et av de mest spennende spørsmålene i biologiens verden.

Kronologisk anslås livet å være 3,5 til 3,8 milliarder år gammelt. Dette dukket opp omtrent 750 millioner år etter dannelsen av jorden.

Evolusjon av tidlige livsformer: Millers eksperimenter

På begynnelsen av 1920-tallet var ideen om at organiske makromolekyler kunne polymerisere spontant under miljøforholdene i en primitiv atmosfære - med lave oksygenkonsentrasjoner og høye konsentrasjoner av CO ₂ og N ₂ , samt en serie av av gasser, slik som H ₂ , H ₂ S, og CO.

Det antas at den hypotetiske primitive atmosfæren ga et reduserende miljø, som sammen med en energikilde (for eksempel sollys eller elektriske utladninger) skapte forholdene som bidrar til polymerisering av organiske molekyler.

Denne teorien ble bekreftet eksperimentelt i 1950 av forsker Stanley Miller i løpet av studiene.

Behovet for et molekyl med selvrepliserende og katalytiske egenskaper: RNAs verden

Etter å ha spesifisert de nødvendige betingelser for dannelse av molekylene som vi finner i alle levende vesener, er det nødvendig å foreslå et primitivt molekyl med evnen til å lagre informasjon og gjenskape seg selv - nåværende celler lagrer genetisk informasjon på et språk på fire nukleotider i DNA-molekylet.

Til dags dato er den beste kandidaten for dette molekylet RNA. Det var først i 1980 at forskerne Sid Altman og Tom Cech oppdaget de katalytiske egenskapene til denne nukleinsyren, inkludert polymerisasjonen av nukleotider - et kritisk skritt i utviklingen av liv og celler.

Av disse grunnene antas det at livet begynte å bruke RNA som genetisk materiale, og ikke DNA slik de aller fleste nåværende former gjør.

Begrensning av barrierer i livet: fosfolipider

Når makromolekylene og molekylet som er i stand til å lagre informasjon og replikere seg selv er oppnådd, er eksistensen av en biologisk membran nødvendig for å bestemme grensene mellom det levende og det ekstracellulære miljøet. Evolusjonært markerte dette trinnet opprinnelsen til de første cellene.

Den første cellen antas å ha oppstått fra et RNA-molekyl som var innelukket av en membran bestående av fosfolipider. De siste er amfipatiske molekyler, noe som betyr at den ene delen er hydrofil (løselig i vann) og den andre delen er hydrofob (ikke løselig i vann).

Når fosfolipider blir oppløst i vann, har de evnen til å spontan aggregeres og danne et lipid-dobbeltlag. De polare hodene er gruppert mot det vandige miljøet og de hydrofobe halene inni, i kontakt med hverandre.

Denne barrieren er termodynamisk stabil og lager et rom som gjør det mulig å skille cellen fra det ekstracellulære miljøet.

Med tidens gang fortsatte RNA innesluttet i lipidmembranen sin evolusjonære vei etter darwinistiske mekanismer - inntil de presenterte komplekse prosesser som proteinsyntese.

Evolusjon av metabolisme

Når disse primitive cellene ble dannet, begynte utviklingen av de metabolske veiene som vi kjenner i dag. Det mest sannsynlige scenariet for opprinnelsen til de første cellene er havet, så de første cellene var i stand til å skaffe mat og energi direkte fra miljøet.

Når mat ble knapp, måtte visse cellevarianter dukke opp med alternative metoder for å skaffe mat og generere energi som gjorde at de kunne fortsette replikasjonen.

Generering og kontroll av cellemetabolismen er avgjørende for dens kontinuitet. Faktisk er de viktigste metabolske traséene mye bevart blant nåværende organismer. For eksempel utfører både en bakterie og et pattedyr glykolyse.

Det har blitt foreslått at energiproduksjon utviklet seg i tre stadier, begynnende med glykolyse, etterfulgt av fotosyntese, og avsluttet med oksidativ metabolisme.

Siden det primitive miljøet manglet oksygen, er det sannsynlig at tidlige metabolske reaksjoner gjorde det uten.

Evolusjon av den eukaryote cellen

Celler var unikt prokaryote inntil for rundt 1,5 milliarder år siden. På dette stadiet dukket de første cellene opp med en ekte kjerne og organeller. Den mest fremtredende teorien i litteraturen som forklarer utviklingen av organeller er den endosymbiotiske teorien (endo betyr intern).

Organismer er ikke isolert i miljøet. Biologiske samfunn presenterer flere interaksjoner, både antagonistiske og synergistiske. Et paraplybegrep som brukes til forskjellige interaksjoner er symbiose - tidligere bare brukt for gjensidigistiske forhold mellom to arter.

Interaksjoner mellom organismer har viktige evolusjonsmessige konsekvenser, og det mest dramatiske eksemplet på dette er den endosymbiotiske teorien, som opprinnelig ble foreslått av den amerikanske forskeren Lynn Margulis på 1980-tallet.

Postulater av endosymbiotisk teori

I følge denne teorien var noen eukaryote organeller - som kloroplaster og mitokondrier - opprinnelig frittlevende prokaryote organismer. På et tidspunkt i evolusjonen ble en prokaryot svelget av en større, men ble ikke fordøyd. I stedet overlevde han og ble fanget i den større organismen.

I tillegg til overlevelse, ble reproduksjonstiden mellom de to organismene synkronisert, og klarte å passere til påfølgende generasjoner.

Når det gjelder kloroplastene, viste den oppslukede organismen alle enzymatiske maskiner for å utføre fotosyntesen, og forsynte den større organismen med produktene fra disse kjemiske reaksjonene: monosakkarider. Når det gjelder mitokondrier, er det postulert at den oppslukede prokaryoten kan være en forfedres α-proteobacteria.

Imidlertid er den potensielle identiteten til den større vertsorganismen et åpent spørsmål i litteraturen.

Den oppslukede prokaryote organismen mistet celleveggen, og gjennom hele evolusjonen gjennomgikk de relevante modifikasjonene som oppsto fra moderne organeller. Dette er i hovedsak den endosymbiotiske teorien.

Bevis for den endosymbiotiske teorien

For tiden er det flere fakta som støtter teorien om endosymbiose, nemlig: (a) størrelsen på nåværende mitokondrier og kloroplaster er lik den for prokaryoter; (b) disse organellene har sitt eget genetiske materiale og syntetiserer en del av proteinene, selv om de ikke er helt uavhengige av kjernen, og (c) det er flere biokjemiske likheter mellom begge biologiske enheter.

Fordeler med å være eukaryotisk

Utviklingen av eukaryote celler er assosiert med en rekke fordeler fremfor prokaryoter. Økningen i størrelse, kompleksitet og seksjonering tillot hurtig utvikling av nye biokjemiske funksjoner.

Etter ankomsten av den eukaryote cellen kom flercellularitet. Hvis en celle "vil" glede seg over fordelene med en større størrelse, kan den ikke bare vokse, siden celleoverflaten må være stor i forhold til volumet.

Dermed var organismer med mer enn en celle i stand til å øke størrelsen og fordele oppgavene mellom flere celler som komponerer dem.

referanser

1. Altstein, AD (2015). Progenhypotesen: nukleoproteinverdenen og hvordan livet begynte. Biology Direct, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). Foreslått modell for prebiotisk evolusjon: Bruken av kaos. Proceedings of the National Academy of Sciences, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologi: Livet på jorden. Pearson utdanning.
4. Campbell, AN, & Reece, JB (2005). Biologi. Redaksjonell Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). Biologi 1: en konstruktivistisk tilnærming. Pearson Education.
6. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Flernivåutvalg i modeller for prebiotisk evolusjon: rom og romlig selvorganisering. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). Opprinnelsen og den tidlige utviklingen av livet: prebiotisk kjemi, før-RNA-verdenen og tiden. Cell, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K., & Alfonzo, J. (2016). Fra prebiotika til probiotika: Utviklingen og funksjonene til tRNA-modifikasjoner. Livet, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF, & Szostak, JW (2010). Opprinnelsen til cellulivet. Cold Spring Harbor-perspektiver i biologi, a002212.
10. Silvestre, DA, & Fontanari, JF (2008). Pakkemodeller og informasjonskrisen for prebiotisk evolusjon. Tidsskrift for teoretisk biologi, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P., & Mavelli, F. (2015). Protokoller modeller i livets opprinnelse og syntetisk biologi. Livet, 5 (4), 1700–1702.