HÜCRENIN KÖKENI: ANA TEORILER (PROKARYOTIK VE ÖKARYOTIK) - BIYOLOJI - 2025

Hücre kökeni tarihleri 3,5 milyar yaşında destekliyor. Bu işlevsel birimlerin ortaya çıkış şekli, birkaç yüzyıl boyunca bilim adamlarının merakını uyandırmıştır.

Yaşamın kökenine hücrelerin kökeni eşlik ediyordu. İlkel bir ortamda, çevre koşulları bugün gözlemlediklerimizden çok farklıydı. Oksijen konsantrasyonu pratikte sıfırdı ve atmosfere başka bir gaz bileşimi hakim oldu.

Kaynak: Pixabay.com

Laboratuvardaki farklı deneyimler, Dünya'nın ilk çevresel koşulları altında, organik sistemlere özgü çeşitli biyomoleküllerin polimerizasyonunun mümkün olduğunu göstermiştir: amino asitler, şekerler, vb.

Katalitik kapasiteye sahip ve kendini kopyalayabilen bir molekül (potansiyel olarak bir RNA), Darwinci ilkelere göre evrimleşen ilk ilkel prokaryotik hücreleri oluşturan bir fosfolipit zar içine kapatılabilir.

Benzer şekilde, ökaryotik hücrenin kökeni genellikle endosimbiyotik teori kullanılarak açıklanır. Bu fikir, büyük bir bakterinin daha küçük olanı yuttuğunu ve zaman geçtikçe bugün bildiğimiz organellerden (kloroplastlar ve mitokondri) kaynaklandığını desteklemektedir.

Hücre teorisi

Hücre, boşluk anlamına gelen Latince kök selülünden gelen bir terimdir. Bunlar canlıların işlevsel ve yapısal birimleridir. Terim ilk olarak 17. yüzyılda araştırmacı Robert Hooke tarafından bir mantar tabakasını mikroskop ışığında incelerken ve bir tür hücreyi gözlemlerken kullanıldı.

Bu keşifle birlikte, daha fazla bilim adamı - özellikle Theodor Schwann ve Matthias Schleiden'in katkıları - canlı maddenin mikroskobik yapısıyla ilgilenmeye başladı. Böylelikle biyolojinin en önemli sütunlarından biri doğdu: hücre teorisi.

Teori şunu savunur: (a) tüm organik varlıklar hücrelerden oluşur; (b) hücreler yaşamın birimleridir; (c) yaşamı sürdüren kimyasal reaksiyonlar hücrenin sınırları içinde gerçekleşir ve (d) tüm yaşam önceden var olan yaşamdan gelir.

Bu son varsayım, Rudolf Virchow'un ünlü ifadesiyle özetlenmiştir: "omnis cellula e cellula" - tüm hücreler, zaten var olan diğer hücrelerden türetilmiştir. Ama ilk hücre nereden geldi? Daha sonra, ilk hücresel yapıların kökenini açıklamaya çalışan ana teorileri açıklayacağız.

Prokaryotik hücrenin evrimi

Yaşamın kökeni, hücrelerin kökeni ile yakından bağlantılı bir olgudur. Yeryüzünde iki hücresel yaşam biçimi vardır: prokaryotlar ve ökaryotlar.

Ökaryotlar daha büyük ve daha karmaşık organizmalar olmakla birlikte, her iki soy da karmaşıklıkları ve yapıları açısından temelde farklılık gösterir. Bu, prokaryotların basit olduğu anlamına gelmez - tek bir prokaryotik organizma, çeşitli moleküler komplekslerin organize ve karmaşık bir kümelenmesidir.

Hayatın her iki dalının da evrimi, biyoloji dünyasındaki en heyecan verici sorulardan biridir.

Kronolojik olarak, yaşamın 3,5 ila 3,8 milyar yaşında olduğu tahmin edilmektedir. Bu, Dünya'nın oluşumundan yaklaşık 750 milyon yıl sonra ortaya çıktı.

Erken yaşam formlarının evrimi: Miller'ın deneyleri

Düşük oksijen konsantrasyonlarında ve CO yüksek konsantrasyonlarda - 1920'lerin organik makromoleküller ilkel atmosferin çevre koşulları altında kendiliğinden polimerize düşüncesi olarak ₂ ve N ₂ , hem de bir dizi H ₂ , H ₂ S ve CO gibi gazların .

Varsayımsal ilkel atmosferin, bir enerji kaynağı (güneş ışığı veya elektrik deşarjları gibi) ile birlikte organik moleküllerin polimerizasyonuna elverişli koşulları yaratan indirgeyici bir ortam sağladığı varsayılmaktadır.

Bu teori, 1950 yılında, yüksek lisans çalışmaları sırasında araştırmacı Stanley Miller tarafından deneysel olarak onaylandı.

Kendi kendini kopyalayan ve katalitik özelliklere sahip bir moleküle duyulan ihtiyaç: RNA dünyası

Tüm canlılarda bulduğumuz moleküllerin oluşumu için gerekli koşulları belirledikten sonra, bilgiyi depolayabilen ve kendini kopyalayabilen ilkel bir molekül önermek gerekiyor - mevcut hücreler genetik bilgiyi dört dil altında depoluyor. DNA molekülündeki nükleotidler.

Bugüne kadar, bu molekül için en iyi aday RNA'dır. Araştırmacılar Sid Altman ve Tom Cech, yaşamın ve hücrelerin evriminde kritik bir adım olan nükleotidlerin polimerizasyonu dahil olmak üzere, bu nükleik asidin katalitik yeteneklerini 1980 yılına kadar keşfettiler.

Bu nedenlerden dolayı, yaşamın mevcut formların büyük çoğunluğunun yaptığı gibi DNA'yı değil, genetik materyal olarak RNA'yı kullanmaya başladığına inanılıyor.

Yaşamın engellerini sınırlamak: fosfolipitler

Bilgi depolayabilen ve kendisini kopyalayabilen makromoleküller ve molekül elde edildiğinde, canlı ve hücre dışı ortam arasındaki sınırları belirlemek için biyolojik bir zarın varlığı gereklidir. Evrimsel olarak, bu adım ilk hücrelerin kökenini belirledi.

İlk hücrenin, fosfolipitlerden oluşan bir zarla çevrili bir RNA molekülünden ortaya çıktığına inanılıyor. İkincisi amfipatik moleküllerdir, yani bir bölüm hidrofiliktir (suda çözünür) ve diğer bölüm hidrofobiktir (suda çözünür değildir).

Fosfolipidler suda çözüldüklerinde, kendiliğinden bir araya gelme ve bir lipit çift tabakası oluşturma kabiliyetine sahiptirler. Kutup başları, birbirleriyle temas halinde olan sulu ortama ve içerideki hidrofobik kuyruklara bakacak şekilde gruplandırılmıştır.

Bu bariyer termodinamik olarak kararlıdır ve hücrenin hücre dışı ortamdan ayrılmasına izin veren bir bölme oluşturur.

Zaman geçtikçe, lipid zarı içinde yer alan RNA, Darwinci mekanizmaları takip ederek evrimsel yolunu sürdürdü - protein sentezi gibi karmaşık süreçler sunana kadar.

Metabolizmanın evrimi

Bu ilkel hücreler oluştuktan sonra, bugün bildiğimiz metabolik yolların gelişimi başladı. İlk hücrelerin kökeni için en makul senaryo okyanustur, bu nedenle ilk hücreler doğrudan çevreden yiyecek ve enerji elde edebildi.

Yiyecekler kıtlaştığında, bazı hücre varyantları, yiyecek elde etmenin ve çoğalmalarına devam etmelerine izin veren enerji üretmenin alternatif yöntemleriyle ortaya çıkmak zorunda kaldı.

Hücre metabolizmasının üretimi ve kontrolü, sürekliliği için çok önemlidir. Aslında, ana metabolik yollar, mevcut organizmalar arasında geniş ölçüde korunur. Örneğin, hem bir bakteri hem de bir memeli glikoliz gerçekleştirir.

Enerji üretiminin glikoliz ile başlayıp ardından fotosentez ve oksidatif metabolizma ile biten üç aşamada geliştiği öne sürülmüştür.

İlkel ortamda oksijen olmadığı için, erken metabolik reaksiyonların oksijen olmadan gerçekleşmesi makuldür.

Ökaryotik hücrenin evrimi

Hücreler, yaklaşık 1,5 milyar yıl öncesine kadar benzersiz bir şekilde prokaryotikti. Bu aşamada, gerçek bir çekirdeğe ve organellere sahip ilk hücreler ortaya çıktı. Literatürde organellerin evrimini açıklayan en öne çıkan teori, endosimbiyotik teoridir (endo iç demektir).

Organizmalar çevrelerinde izole edilmez. Biyolojik topluluklar, hem antagonistik hem de sinerjik olmak üzere çoklu etkileşimler sunar. Farklı etkileşimler için kullanılan genel bir terim simbiyozdur - eskiden yalnızca iki tür arasındaki karşılıklı ilişkiler için kullanılırdı.

Organizmalar arasındaki etkileşimlerin önemli evrimsel sonuçları vardır ve bunun en dramatik örneği, ilk olarak 1980'lerde Amerikalı araştırmacı Lynn Margulis tarafından öne sürülen endosimbiyotik teoridir.

Endosimbiyotik teorinin postülatları

Bu teoriye göre, kloroplastlar ve mitokondri gibi bazı ökaryotik organeller başlangıçta serbest yaşayan prokaryotik organizmalardı. Evrimin bir noktasında, bir prokaryot daha büyük olanı tarafından yutulmuş, ancak sindirilmemiştir. Bunun yerine hayatta kaldı ve daha büyük organizmanın içinde sıkışıp kaldı.

Hayatta kalmaya ek olarak, iki organizma arasındaki üreme zamanları birbirini takip eden nesillere geçmeyi başararak senkronize edildi.

Kloroplastlar söz konusu olduğunda, yutulan organizma, fotosentez yapmak için tüm enzimatik mekanizmaları sergiledi ve daha büyük organizmaya bu kimyasal reaksiyonların ürünlerini, yani monosakkaritleri tedarik etti. Mitokondri durumunda, yutulmuş prokaryotun atalara ait bir a-proteobakteri olabileceği varsayılmaktadır.

Bununla birlikte, daha büyük konakçı organizmanın potansiyel kimliği, literatürde açık bir sorudur.

Yutulmuş prokaryotik organizma hücre duvarını kaybetti ve evrim boyunca modern organelleri oluşturan uygun değişikliklere uğradı. Bu, özünde, endosimbiyotik teoridir.

Endosimbiyotik teori için kanıtlar

Şu anda endosimbiyoz teorisini destekleyen çok sayıda gerçek vardır: (a) mevcut mitokondri ve kloroplastların boyutu prokaryotlarınkine benzer; (b) bu ​​organellerin kendi genetik materyalleri vardır ve çekirdekten tamamen bağımsız olmamalarına rağmen proteinlerin bir kısmını sentezlerler ve (c) her iki biyolojik varlık arasında çok sayıda biyokimyasal benzerlik vardır.

Ökaryotik olmanın avantajları

Ökaryotik hücrelerin evrimi, prokaryotlara göre bir dizi avantajla ilişkilidir. Boyut, karmaşıklık ve bölümlendirmedeki artış, yeni biyokimyasal işlevlerin hızlı bir şekilde gelişmesine izin verdi.

Ökaryotik hücrenin gelişinden sonra çok hücrelilik geldi. Bir hücre daha büyük bir boyutun faydalarından yararlanmak "istiyorsa", hücre yüzeyinin hacmine göre büyük olması gerektiğinden, basitçe büyüyemez.

Böylece, birden fazla hücreye sahip organizmalar, boyutlarını büyütebilmiş ve görevleri, kendilerini oluşturan çoklu hücreler arasında dağıtabilmiştir.

Referanslar

1. Altstein, AD (2015). Progen hipotezi: nükleoprotein dünyası ve yaşamın nasıl başladığı. Biology Direct, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). Prebiyotik evrim için önerilen model: Kaos kullanımı. Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G. ve Byers, BE (2003). Biyoloji: Dünyadaki Yaşam. Pearson eğitimi.
4. Campbell, AN ve Reece, JB (2005). Biyoloji. Editoryal Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). Biyoloji 1: Yapılandırmacı Bir Yaklaşım. Pearson Education.
6. Hogeweg, P. ve Takeuchi, N. (2003). Prebiyotik evrim modellerinde çok düzeyli seçim: bölmeler ve mekansal kendi kendine organizasyon. Yaşamın Kökenleri ve Biyosferin Evrimi, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A. ve Miller, SL (1996). Yaşamın kökeni ve erken evrimi: prebiyotik kimya, RNA öncesi dünya ve zaman. Cell, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K. ve Alfonzo, J. (2016). Prebiyotiklerden probiyotiklere: tRNA modifikasyonlarının evrimi ve işlevleri. Hayat, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF ve Szostak, JW (2010). Hücresel yaşamın kökenleri. Biyolojide Cold Spring Harbor perspektifleri, a002212.
10. Silvestre, DA ve Fontanari, JF (2008). Paket modelleri ve prebiyotik evrimin bilgi krizi. Teorik biyoloji dergisi, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P. ve Mavelli, F. (2015). Yaşamın Kökeni ve Sentetik Biyolojide Proto Hücreler Modelleri. Hayat, 5 (4), 1700–1702.