- Teoria celulelor
- Evoluția celulei procariote
- Evoluția formelor de viață timpurie: experimentele lui Miller
- Necesitatea unei molecule cu proprietăți auto-replicante și catalitice: lumea ARN-ului
- Limitarea barierelor vieții: fosfolipide
- Evoluția metabolismului
- Evoluția celulei eucariote
- Postulatele teoriei endosimbiotice
- Evidențe pentru teoria endosimbioticelor
- Avantajele de a fi eucariote
- Referințe
Originea celulei datează vechi de mai mult de 3,5 miliarde de ani. Modul în care au apărut aceste unități funcționale a trezit curiozitatea oamenilor de știință timp de câteva secole.
Originea vieții în sine a fost însoțită de originea celulelor. Într-un mediu primitiv, condițiile de mediu erau foarte diferite de cele observate astăzi. Concentrația de oxigen a fost practic zero, iar atmosfera a fost dominată de o altă compoziție de gaze.
Sursa: pixabay.com
Diferite experiențe în laborator au arătat că în condițiile de mediu inițiale ale Pământului, este posibilă polimerizarea diferitelor biomolecule caracteristice sistemelor organice și anume: aminoacizi, zaharuri etc.
O moleculă cu capacitate catalitică și care se poate reproduce (potențial, un ARN) ar putea fi închisă într-o membrană fosfolipidă, formând primele celule procariote primitive, care au evoluat după principiile darwiniene.
De asemenea, originea celulei eucariote este explicată de obicei folosind teoria endosimbiotică. Această idee susține că o bacterie mare a înghițit una mai mică și, odată cu trecerea timpului, au apărut organelele pe care le cunoaștem astăzi (cloroplaste și mitocondrii).
Teoria celulelor
Celula este un termen care provine din rădăcina latină celulă, care înseamnă gol. Acestea sunt unitățile funcționale și structurale ale lucrurilor vii. Termenul a fost folosit pentru prima dată în secolul al XVII-lea de cercetătorul Robert Hooke, când examina o foaie de plută sub lumina unui microscop și observa un fel de celule.
Cu această descoperire, mai mulți oameni de știință - în special contribuțiile lui Theodor Schwann și Matthias Schleiden - au devenit interesați de structura microscopică a materiei vii. În acest fel, s-a născut unul dintre cei mai importanți piloni ai biologiei: teoria celulelor.
Teoria susține că: (a) toate ființele organice sunt formate din celule; (b) celulele reprezintă unitatea vieții; (c) reacțiile chimice care susțin viața au loc în limitele celulei și (d) toată viața provine din viața preexistentă.
Acest ultim postulat este rezumat în celebra frază a lui Rudolf Virchow: „omnis cellula e cellula” - toate celulele provin din alte celule deja existente. Dar de unde a venit prima celulă? În continuare vom descrie principalele teorii care încearcă să explice originea primelor structuri celulare.
Evoluția celulei procariote
Originea vieții este un fenomen strâns legat de originea celulelor. Pe pământ, există două forme celulare de viață: procariote și eucariote.
Ambele linii diferă practic din punct de vedere al complexității și structurii lor, eucariotele fiind organisme mai mari și mai complexe. Asta nu înseamnă că procariotele sunt simple - un singur organism procariot este o aglomerare organizată și complicată a diferitelor complexe moleculare.
Evoluția ambelor ramuri ale vieții este una dintre cele mai interesante întrebări din lumea biologiei.
Cronologic, se estimează că viața este veche între 3,5 și 3,8 miliarde de ani. Aceasta a apărut la aproximativ 750 de milioane de ani după formarea Pământului.
Evoluția formelor de viață timpurie: experimentele lui Miller
La începutul anilor 1920 ideea că macromoleculele organice pot polimeriza spontan în condițiile de mediu ale unei atmosfere primitive - cu concentrații scăzute de oxigen și concentrații mari de CO 2 și N 2 , precum și o serie de de gaze , cum ar fi H 2 , H 2 S și CO.
Se presupune că ipotetica atmosferă primitivă a furnizat un mediu reducător, care împreună cu o sursă de energie (cum ar fi lumina solară sau descărcările electrice), au creat condițiile propice polimerizării moleculelor organice.
Această teorie a fost confirmată experimental în 1950 de cercetătorul Stanley Miller în timpul studiilor universitare.
Necesitatea unei molecule cu proprietăți auto-replicante și catalitice: lumea ARN-ului
După specificarea condițiilor necesare pentru formarea moleculelor pe care le găsim la toate ființele vii, este necesar să se propună o moleculă primitivă cu capacitatea de a stoca informații și de a se reproduce - celulele actuale stochează informații genetice sub un limbaj de patru nucleotide în molecula ADN.
Până în prezent, cel mai bun candidat pentru această moleculă este ARN. Abia în 1980 cercetătorii Sid Altman și Tom Cech au descoperit capacitățile catalitice ale acestui acid nucleic, inclusiv polimerizarea nucleotidelor - un pas critic în evoluția vieții și a celulelor.
Din aceste motive, se crede că viața a început să folosească ARN ca material genetic, și nu ADN-ul, așa cum o fac marea majoritate a formelor actuale.
Limitarea barierelor vieții: fosfolipide
Odată obținute macromoleculele și molecula capabilă să stocheze informații și să se reproducă, existența unei membrane biologice este necesară pentru a determina limitele dintre mediul viu și extracelular. Evoluțional, această etapă a marcat originea primelor celule.
Se crede că prima celulă a provenit dintr-o moleculă de ARN care a fost închisă de o membrană formată din fosfolipide. Acestea din urmă sunt molecule amfipate, ceea ce înseamnă că o porțiune este hidrofilă (solubilă în apă), iar cealaltă porțiune este hidrofobă (nu este solubilă în apă).
Când fosfolipidele sunt dizolvate în apă, acestea au capacitatea de a agrega spontan și de a forma o stratură lipidică. Capetele polare sunt grupate orientate spre mediul apos și cozile hidrofobe din interior, în contact între ele.
Această barieră este stabilă termodinamic și creează un compartiment care permite separarea celulelor de mediul extracelular.
Odată cu trecerea timpului, ARN-ul închis în membrana lipidică și-a continuat calea evolutivă urmând mecanismele darwiniene - până la prezentarea unor procese complexe precum sinteza proteinelor.
Evoluția metabolismului
Odată formate aceste celule primitive, a început dezvoltarea căilor metabolice pe care le cunoaștem astăzi. Cel mai plauzibil scenariu pentru originea primelor celule este oceanul, astfel că primele celule au fost capabile să obțină alimente și energie direct din mediu.
Când alimentele au devenit rare, anumite variante de celule au trebuit să apară cu metode alternative de obținere a alimentelor și generarea de energie care le-a permis continuarea replicării.
Generarea și controlul metabolismului celular sunt esențiale pentru continuitatea acestuia. De fapt, principalele căi metabolice sunt conservate pe scară largă între organismele actuale. De exemplu, atât o bacterie cât și un mamifer efectuează glicoliză.
S-a propus ca generarea de energie să fi evoluat în trei etape, începând cu glicoliza, urmată de fotosinteză și terminând cu metabolismul oxidativ.
Din moment ce mediul primitiv nu avea oxigen, este plauzibil ca reacțiile metabolice timpurii să se descurce fără el.
Evoluția celulei eucariote
Celulele au fost unic procariote până acum aproximativ 1,5 miliarde de ani. În acest stadiu au apărut primele celule cu un nucleu adevărat și organele în sine. Cea mai proeminentă teorie din literatura care explică evoluția organelelor este teoria endosimbiotică (endo înseamnă intern).
Organismele nu sunt izolate în mediul lor. Comunitățile biologice prezintă interacțiuni multiple, atât antagonice, cât și sinergice. Un termen umbrelă folosit pentru diferite interacțiuni este simbioza - fost folosit doar pentru relațiile mutualiste între două specii.
Interacțiunile dintre organisme au consecințe evolutive importante, iar cel mai dramatic exemplu în acest sens este teoria endosimbiotică, care a fost inițial propusă de cercetătorul american Lynn Margulis în anii '80.
Postulatele teoriei endosimbiotice
Conform acestei teorii, unele organule eucariote - cum ar fi cloroplastele și mitocondriile - au fost inițial organisme procariote cu viață liberă. La un moment dat în evoluție, un procariot a fost înghițit de unul mai mare, dar nu a fost digerat. În schimb, el a supraviețuit și a fost prins în interiorul organismului mai mare.
Pe lângă supraviețuire, timpul de reproducere între cele două organisme a fost sincronizat, reușind să treacă la generații succesive.
În cazul cloroplastelor, organismul înglobat a prezentat toate utilajele enzimatice pentru a realiza fotosinteza, furnizând organismului mai mare produsele acestor reacții chimice: monosacharide. În cazul mitocondriilor, se postulează că procariotul înghițit ar putea fi o α-proteobacteria ancestrală.
Cu toate acestea, identitatea potențială a organismului gazdă mai mare este o întrebare deschisă în literatura de specialitate.
Organismul procariotic înghițit și-a pierdut peretele celular și de-a lungul evoluției a suferit modificările relevante care au generat organele moderne. Aceasta este, în esență, teoria endosimbiotică.
Evidențe pentru teoria endosimbioticelor
În prezent, există mai multe fapte care susțin teoria endosimbiozei, și anume: (a) dimensiunea mitocondriilor și cloroplastelor actuale este similară cu cea a procariotelor; (b) aceste organele au propriul material genetic și sintetizează o parte din proteine, deși nu sunt complet independente de nucleu și (c) există multiple asemănări biochimice între ambele entități biologice.
Avantajele de a fi eucariote
Evoluția celulelor eucariote este asociată cu o serie de avantaje față de procariote. Creșterea dimensiunii, complexității și compartimentării a permis evoluția rapidă a noilor funcții biochimice.
După sosirea celulei eucariote, a apărut multicelularitatea. Dacă o celulă „dorește” să se bucure de beneficiile unei dimensiuni mai mari, ea nu poate crește pur și simplu, deoarece suprafața celulei trebuie să fie mare în raport cu volumul ei.
Astfel, organismele cu mai mult de o celulă au fost capabile să-și crească dimensiunea și să distribuie sarcinile între multiplele celule care le compun.
Referințe
- Altstein, AD (2015). Ipoteza progenială: lumea nucleoproteinei și modul în care a început viața. Biologie Direct, 10, 67.
- Anderson, PW (1983). Model sugerat pentru evoluția prebiotică: Utilizarea haosului. Proceedings of the National Academy of Sciences, 80 (11), 3386-3390.
- Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologie: Viața pe Pământ. Educația Pearson.
- Campbell, AN, & Reece, JB (2005). Biologie. Editorial Médica Panamericana.
- Gama, M. (2007). Biologie 1: o abordare constructivistă. Pearson Education.
- Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Selecția pe mai multe niveluri în modele de evoluție prebiotică: compartimente și autoorganizare spațială. Origini ale vieții și evoluția biosferei, 33 (4-5), 375-403.
- Lazcano, A., & Miller, SL (1996). Originea și evoluția timpurie a vieții: chimia prebiotică, lumea pre-ARN și timpul. Celulă, 85 (6), 793-798.
- McKenney, K., & Alfonzo, J. (2016). De la prebiotice la probiotice: evoluția și funcțiile modificărilor ARNt. Viața, 6 (1), 13.
- Schrum, JP, Zhu, TF și Szostak, JW (2010). Originile vieții celulare. Cold Spring Harbor perspective în biologie, a002212.
- Silvestre, DA, & Fontanari, JF (2008). Modele de pachete și criza informațională a evoluției prebiotice. Jurnalul de biologie teoretică, 252 (2), 326-337.
- Stano, P., & Mavelli, F. (2015). Protocelează modele în originea vieții și biologie sintetică. Viața, 5 (4), 1700–1702.