A SEJT EREDETE: FŐ ELMÉLETEK (PROKARIÓTA ÉS EUKARIÓTA) - BIOLÓGIA - 2026

A sejt eredete több mint 3,5 milliárd éves. Ezeknek a funkcionális egységeknek a származási módja évszázadok óta felkeltette a tudósok kíváncsiságát.

Az élet eredetét önmagában a sejtek származása kísérte. Primitív környezetben a környezeti feltételek nagyon különböztek a mai megfigyelésektől. Az oxigénkoncentráció gyakorlatilag nulla volt, és a légkört egy másik gázkompozíció uralta.

Forrás: pixabay.com

A laboratóriumi különféle tapasztalatok azt mutatták, hogy a Föld kezdeti környezeti körülményei között lehetséges a szerves rendszerekre jellemző biomolekulák polimerizációja, nevezetesen: aminosavak, cukrok stb.

Egy olyan katalitikus képességű és önmagát replikálni képes molekulát (potenciálisan RNS) be lehet zárni egy foszfolipid membránba, amely az első primitív prokarióta sejteket képezi, amelyek a darwini alapelvek szerint fejlődtek ki.

Hasonlóképpen, az eukarióta sejt eredetét általában az endosimbiotikus elmélettel magyarázzák. Ez az ötlet alátámasztja azt, hogy egy nagy baktérium elnyelte egy kisebbet, és az idő múlásával a ma ismert organellák (kloroplasztok és mitokondriumok) származtak.

A sejtelmélet

A sejt olyan kifejezés, amely a latin gyökércellából származik, ami üreget jelent. Ezek az élőlények funkcionális és szerkezeti egységei. Ezt a kifejezést először a 17. században használta Robert Hooke kutató, amikor egy parafalapot mikroszkóp alatt megvizsgált és egyfajta sejtet megfigyelt.

Ezzel a felfedezéssel több tudós - nevezetesen Theodor Schwann és Matthias Schleiden közreműködése - érdeklődött az élő anyag mikroszkopikus szerkezete iránt. Ilyen módon született a biológia egyik legfontosabb pillére: a sejtelmélet.

Az elmélet szerint: (a) az összes szerves lény sejtekből áll; b) a sejtek az élet egységei; c) az élet fenntartó kémiai reakciók a sejtek határain belül zajlanak, és (d) az összes élet a már létezõ életbõl származik.

Az utolsó posztulátumot Rudolf Virchow híres mondatában foglalják össze: "omnis cellula e cellula" - az összes sejt más már létező sejtekből származik. De honnan származott az első cella? A következőkben leírjuk azokat a fő elméleteket, amelyek megkísérlik megmagyarázni az első celluláris struktúrák eredetét.

A prokarióta sejt evolúciója

Az élet eredete olyan jelenség, amely szorosan kapcsolódik a sejtek eredetéhez. A földön két sejtes életforma létezik: prokarióták és eukarióták.

Mindkét vonal alapvetően különbözik egymástól komplexitásuk és szerkezetük szempontjából, az eukarióták nagyobb és összetettebb organizmusok. Ez nem azt jelenti, hogy a prokarióták egyszerűek - egyetlen prokarióta szervezet a különböző molekuláris komplexek szervezett és bonyolult agglomerációja.

Az élet mindkét ágának fejlődése az egyik legizgalmasabb kérdés a biológia világában.

Időrendben az élet becslése szerint 3,5-3,8 milliárd éves. Ez körülbelül 750 millió évvel a Föld kialakulása után jelent meg.

A korai életformák evolúciója: Miller kísérletei

Az 1920-as évek elején az a gondolat, hogy a szerves makromolekulák spontán módon polimerizálódhatnak egy primitív légkör környezeti körülményei között - alacsony oxigénkoncentrációval és magas CO ₂ és N ₂ koncentrációkkal, valamint számos gázok, például H ₂, H ₂ S, és a CO.

Feltételezzük, hogy a hipotetikus primitív légkör redukáló környezetet teremtett, amely egy energiaforrással (például napfény vagy elektromos kisülés) együtt teremtette a szerves molekulák polimerizációját elősegítő körülményeket.

Ezt az elméletet 1950-ben kísérletileg megerősítette Stanley Miller kutató végzős tanulmányai során.

Az önreplikáló és katalitikus tulajdonságokkal rendelkező molekula szükségessége: az RNS világa

Miután meghatározták a molekulák képződéséhez szükséges feltételeket, amelyek minden élőlényben megtalálhatók, javaslatot kell tenni egy olyan primitív molekulára, amely képes információt tárolni és önmagát megismételni - a jelenlegi sejtek genetikai információkat tárolnak négy nyelven. nukleotidok a DNS-molekulában.

Eddig a molekula legjobb jelöltje az RNS. Sid Altman és Tom Cech kutatók csak 1980-ban fedezték fel ennek a nukleinsavnak a katalitikus képességét, ideértve a nukleotidok polimerizációját is - ez az élet és a sejtek evolúciójának kritikus lépése.

Ezen okok miatt úgy gondolják, hogy az élet RNA-t használt genetikai anyagként, és nem a DNS-t, mint a jelenlegi formák túlnyomó többsége.

Az élet akadályainak korlátozása: foszfolipidek

Az információ tárolására és a replikációra képes makromolekulák és a molekula megszerzése után szükség van egy biológiai membrán létezésére az élő és az extracelluláris környezet közötti határok meghatározásához. Evolúciós szempontból ez a lépés jelölte az első sejtek eredetét.

Úgy gondolják, hogy az első sejt egy RNS molekulából származik, amelyet egy foszfolipidekből álló membrán zár le. Ez utóbbiak amfipátiás molekulák, ami azt jelenti, hogy az egyik rész hidrofil (vízben oldódik), a másik rész hidrofób (vízben nem oldódik).

Amikor a foszfolipideket vízben oldják, képesek spontán aggregálódni és lipid kettős réteget képezni. A pólusfejek a vizes környezet felé vannak csoportosítva, és a hidrofób farok belül vannak, egymással érintkezve.

Ez a gát termodinamikailag stabil és rekeszt hoz létre, amely lehetővé teszi a sejt elválasztását az extracelluláris környezettől.

Az idő múlásával a lipidmembránba bezáródott RNS folytatta evolúciós útját a darwini mechanizmusokat követve - egészen addig, amíg olyan összetett folyamatokat nem mutat be, mint például a fehérjeszintézis.

A metabolizmus fejlődése

Miután ezek a primitív sejtek kialakultak, megkezdődött a ma ismert metabolikus útvonalak kialakulása. Az első sejtek származásának legmegbízhatóbb forgatókönyve az óceán, tehát az első sejtek képesek voltak élelmet és energiát közvetlenül a környezetről kinyerni.

Amikor az élelmiszer szűkössé vált, bizonyos sejtváltozatoknak alternatív módszerekkel kellett megjelenniük élelmezéshez és energia előállításához, amelyek lehetővé tették számukra a replikáció folytatását.

A sejtek metabolizmusának előállítása és szabályozása elengedhetetlen a folyamatosságához. Valójában a fő metabolikus útvonalak széles körben konzerváltak a jelenlegi szervezetek körében. Például, mind a baktérium, mind az emlős glikolízist végez.

Azt javasolták, hogy az energiatermelés három szakaszban alakuljon ki, kezdve a glikolízissel, majd a fotoszintézissel és az oxidatív metabolizmussal.

Mivel a primitív környezetben nem volt oxigén, valószínű, hogy a korai anyagcsere-reakciók nélkül is megtörtént volna.

Az eukarióta sejt evolúciója

A sejtek egyedileg prokarióta formában voltak, mintegy 1,5 milliárd évvel ezelőtt. Ebben a szakaszban megjelent az első olyan sejt, amelynek valódi sejtmagja és maguk a szervelek voltak. Az irodalom legjelentősebb elmélete, amely az organellák evolúcióját magyarázza, az endosimbiotikus elmélet (az endo belső jelentése).

A szervezeteket nem izolálják a környezetükben. A biológiai közösségek többféle kölcsönhatást mutatnak, mind antagonista, mind szinergetikus. A különböző interakciókhoz használt esernyő a szimbiózis - korábban csak a két faj közötti kölcsönös kapcsolatokra használták.

Az organizmusok interakcióinak fontos evolúciós következményei vannak, és ennek legdrámaibb példája az endosimbiotikus elmélet, amelyet Lynn Margulis az 1980-as években az amerikai kutató javasolt.

Az endoszimbiotikus elmélet posztulátumai

Ezen elmélet szerint egyes eukarióta organellák - például kloroplasztok és mitokondriumok - kezdetben szabadon élő prokarióta szervezetek voltak. Az evolúció egy bizonyos pontján egy nagyobb prokariótát lenyelte, de nem emésztették fel. Ehelyett túlélt és csapdába esett a nagyobb szervezetben.

A túlélés mellett a két szervezet közötti szaporodási időket is szinkronizáltuk, és sikerült átjutniuk egymást követő nemzedékekre.

A kloroplasztok esetében az elárasztott szervezet minden enzimatikus mechanizmust felmutatott a fotoszintézis elvégzésére, és a kémiai reakciók termékeivel: a monoszacharidokkal ellátta a nagyobb szervezeteket. A mitokondriumok esetében feltételezik, hogy az elnyelve a prokarióta ősi α-proteobaktériumok lehet.

A nagyobb gazdaszervezet lehetséges azonossága azonban az irodalomban nyitott kérdés.

Az elárasztott prokarióta organizmus elvesztette sejtfalát, és az evolúció során a vonatkozó változásokon ment keresztül, amelyek a modern organellákat eredményezték. Ez lényegében az endosimbiotikus elmélet.

Bizonyítékok az endosimbiotikus elméletre

Jelenleg több tény támasztja alá az endosymbiosis elméletét, nevezetesen: (a) a jelenlegi mitokondriumok és kloroplasztok mérete hasonló a prokarióták méretéhez; b) ezeknek az organelláknak megvan a saját genetikai anyaga és a fehérjék egy részét szintetizálják, bár nem teljesen függetlenek a sejtmagtól, és (c) több biokémiai hasonlóságot mutat mindkét biológiai entitás között.

Az eukarióta előnyei

Az eukarióta sejtek fejlődése számos előnnyel jár a prokariótákkal szemben. A méret, komplexitás és rekeszek növekedése lehetővé tette az új biokémiai funkciók gyors fejlődését.

Az eukarióta sejt megérkezése után többsejtűség alakult ki. Ha egy sejt "azt akarja", hogy élvezze a nagyobb méret előnyeit, akkor egyszerűen nem tud nőni, mivel a sejt felületének nagynak kell lennie a térfogatához viszonyítva.

Így az egynél több sejttel rendelkező szervezetek képesek voltak növelni méretüket és megosztani a feladatokat az őket alkotó több sejt között.

Irodalom

1. Altstein, AD (2015). A progén hipotézis: a nukleoprotein világ és az élet kezdete. Biology Direct, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). A prebiotikus evolúció javasolt modellje: A káosz használata. A Nemzeti Tudományos Akadémia folyóiratai, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G. és Byers, BE (2003). Biológia: Élet a földön. Pearson oktatás.
4. Campbell, AN, és Reece, JB (2005). Biológia. Szerkesztő Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). 1. biológia: konstruktivista megközelítés. Pearson oktatás.
6. Hogeweg, P. és Takeuchi, N. (2003). Többszintű válogatás az prebiotikus evolúció modelleiben: rekeszek és térbeli önszervezés. Az élet eredete és a bioszféra evolúciója, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A. és Miller, SL (1996). Az élet eredete és korai fejlődése: prebiotikus kémia, az RNS előtti világ és az idő. Cell, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K. és Alfonzo, J. (2016). A prebiotikumoktól a probiotikumokig: a tRNS módosításának alakulása és funkciói. Life, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF és Szostak, JW (2010). A sejtek életének eredete. A Cold Spring Harbor biológiai perspektívái, a002212.
10. Silvestre, DA, és Fontanari, JF (2008). Csomagmodellek és az prebiotikus evolúció információs válsága. Journal of theory of biology, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P. és Mavelli, F. (2015). Protocell modellek az élet eredetében és a szintetikus biológiában. Life, 5 (4), 1700–1702.