Войти
Эволюция клеток относится к эволюционному происхождению и последующее эволюционное развитие клеток. Клетки впервые появились по крайней мере 3,8 миллиарда лет назад. Это произошло примерно через 750 миллионов лет после образования Земли.
Происхождение клеток было важнейшим шагом в эволюции жизни на Земле. Рождение клетки ознаменовало переход от предбиотической химии к разделенным единицам, напоминающим современные клетки. Окончательный переход к живым существам, отвечающим всем определениям современных клеток, зависел от способности эффективно развиваться путем естественного отбора. Этот переход был назван дарвиновским переходом.
. Если рассматривать жизнь с точки зрения репликаторных молекул, клетки удовлетворяют двум фундаментальным условиям: защита от внешней среды и ограничение биохимической активности. Первое условие необходимо для сохранения стабильности сложных молекул в изменяющейся и иногда агрессивной среде; последнее является основополагающим для эволюции биокомплекса. Если свободно плавающие молекулы, кодирующие ферменты, не заключены в клетки, ферменты автоматически принесут пользу соседним молекулам репликатора. Последствия распространения в неразделенных формах жизни можно рассматривать как «паразитизм по умолчанию». Следовательно, давление отбора на молекулы репликатора будет ниже, поскольку «счастливая» молекула, которая производит лучший фермент, не имеет определенного преимущества перед своими ближайшими соседями. Если молекула заключена в клеточную мембрану, то закодированные ферменты будут доступны только самой молекуле репликатора. Эта молекула получит уникальную выгоду от ферментов, которые она кодирует, увеличивая индивидуальность и тем самым ускоряя естественный отбор.
Разделение могло начаться с клеточно-подобных сфероидов, образованных протеиноидами, которые наблюдаются при нагревании аминокислот с фосфорной кислотой в качестве катализатора.. Они несут большую часть основных свойств клеточных мембран. Протоклетки на основе протеиноидов, содержащие молекулы РНК, могли быть первыми клеточными формами жизни на Земле.
Другая возможность состоит в том, что берега древних прибрежных вод, возможно, служили гигантской лабораторией, помогая в бесчисленных экспериментах, необходимых для вызвать первую ячейку. Волны, разбивающиеся о берег, создают нежную пену, состоящую из пузырьков. Мелководные прибрежные воды также имеют тенденцию быть более теплыми, что способствует дальнейшей концентрации молекул за счет испарения. В то время как пузырьки, состоящие в основном из воды, имеют тенденцию быстро лопаться, масляные пузырьки намного более стабильны, что дает больше времени конкретному пузырьку для проведения этих важных экспериментов. фосфолипид является хорошим примером обычного маслянистого соединения, распространенного в пребиотических морях.
Оба эти варианта требуют присутствия большого количества химических веществ и органических материалов для образования клеток. Этот большой сбор материалов, скорее всего, был получен из того, что ученые теперь называют пребиотическим супом. Пребиотический суп - это сбор всех органических соединений, появившихся на Земле после того, как они образовались. Этот суп, скорее всего, содержал соединения, необходимые для образования ранних клеток.
Фосфолипиды состоят из гидрофильной головки на одном конце и гидрофобного хвоста на одном конце. Другие. Они обладают важной характеристикой для построения клеточных мембран; они могут объединяться, образуя двухслойную мембрану. Липидный монослойный пузырь может содержать только масло и не способствует укрывательству водорастворимых органических молекул, но липидный двухслойный пузырь [1] может содержать воду и, вероятно, был предшественником современной клеточной мембраны. Если появился белок, который увеличивал целостность его родительского пузыря, то у этого пузыря было преимущество. Примитивное воспроизведение могло произойти, когда пузыри лопаются, выпуская результаты эксперимента в окружающую среду. Как только в среду будет высвобождено достаточное количество нужных соединений, может быть достигнуто развитие первых прокариот, эукариот и многоклеточных организмов.
Общий предок существующих сейчас клеточных линий (эукариот, бактерий и архей) мог быть сообществом организмов, которые легко обменивались компонентами и генами. Он должен был содержать:
Эукариотическая клетка, по-видимому, произошла от симбиотической сообщество прокариотических клеток. Органеллы, несущие ДНК, такие как митохондрии и хлоропласты, являются остатками древних симбиотических кислорододышащих бактерий и цианобактерий соответственно, где по крайней мере часть остальной части клетки могла быть получена из предковая архейская прокариотная клетка. Эту концепцию часто называют эндосимбиотической теорией. До сих пор ведутся споры о том, предшествовали ли органеллы, подобные гидрогеносоме, митохондрии, или наоборот: см. гипотезу водорода, чтобы узнать о происхождении эукариотических клеток.
Каким образом нынешние линии микробов произошли от этого постулируемого сообщества, в настоящее время не решено, но является предметом интенсивных исследований биологов, стимулированных большим потоком новых открытий в науке о геноме.
Современные данные свидетельствуют о том, что ранняя клеточная эволюция происходила в биологической сфере, радикально отличной от современной биологии. Считается, что в этом древнем царстве нынешняя генетическая роль ДНК в значительной степени выполнялась РНК, и катализ также в значительной степени опосредовался РНК (то есть, рибозимными аналогами ферментов). Эта концепция известна как Гипотеза мира РНК.
Согласно этой гипотезе, древний мир РНК перешел в современный клеточный мир в результате эволюции синтеза белка с последующей заменой многих клеточных рибозимных катализаторов ферментами на основе белков.. Белки гораздо более гибки в катализе, чем РНК, из-за существования различных боковых цепей аминокислот с различными химическими характеристиками. Запись РНК в существующих клетках, по-видимому, сохраняет некоторые «молекулярные окаменелости» из этого мира РНК. Эти окаменелости РНК включают саму рибосому (в которой РНК катализирует образование пептидной связи), современный рибозимный катализатор РНКаза P и РНК.
Почти универсальный генетический код Сохраняются некоторые доказательства мира РНК. Например, недавние исследования РНК переноса, ферментов, которые заряжают их аминокислотами (первый шаг в синтезе белка), и того, как эти компоненты распознают и используют генетический код, были использованы, чтобы предположить, что универсальный генетический код возник до эволюция современного метода активации аминокислот для синтеза белка.
Хотя эволюционное происхождение основных ветвей современных клеток оспаривается, основные различия между тремя основными линиями клеточной жизнь (называемые доменами) прочно обосновались.
В каждом из этих трех доменов репликация ДНК, транскрипция и трансляция все имеют отличительные особенности. Существует три версии рибосомных РНК и, как правило, три версии каждого рибосомного белка, по одной для каждой области жизни. Эти три версии аппарата синтеза белка называются каноническими паттернами, и существование этих канонических паттернов обеспечивает основу для определения трех доменов - Бактерии, Археи и Eukarya (или Eukaryota) - существующих в настоящее время клеток.
Вместо использования одного гена, такого как рибосомная РНК с малой субъединицей (SSU рРНК) для реконструкции ранней эволюции или нескольких генов, научные усилия переместились в сторону анализа полных последовательностей генома.
Эволюционные деревья, основанные только на одной SSU рРНК, не точно отражают события ранней эволюции эукариот, и предшественники первых ядерных клеток все еще не определены. Например, анализ полного генома эукариотических дрожжей показывает, что многие из его генов более тесно связаны с бактериальными генами, чем с археями, и теперь ясно, что археи не были простыми предками эукариот, в отличие от более ранние результаты, основанные на рРНК SSU и ограниченных выборках других генов.
Одна из гипотез состоит в том, что первая ядросодержащая клетка произошла от двух совершенно разных древних прокариотических (неядерных) видов, которые сформировали симбиотический Отношения друг с другом для выполнения различных аспектов обмена веществ. Предполагается, что одним из партнеров этого симбиоза является бактериальная клетка, а другим - архейная клетка. Предполагается, что это симбиотическое партнерство прогрессировало посредством клеточного слияния партнеров с образованием химерной или гибридной клетки с связанной мембраной внутренней структурой, которая была предшественницей ядра. Следующим этапом в этой схеме был перенос обоих геномов-партнеров в ядро и их слияние друг с другом. Было предложено несколько вариантов этой гипотезы происхождения ядерных клеток. Другие биологи оспаривают эту концепцию и подчеркивают тему метаболизма сообщества, идею о том, что ранние живые сообщества будут состоять из множества различных сущностей до существующих клеток и делились бы своим генетическим материалом более широко, чем современные микробы.
«Первая Клетка возникла в ранее пребиотическом мире в результате объединения нескольких сущностей, которые дали единственному пузырьку уникальный шанс осуществить три существенных и совершенно разных жизненных процесса. Это были: (а) копирование информационных макромолекул, ( б) для выполнения определенных каталитических функций и (в) для объединения энергии из окружающей среды в пригодные для использования химические формы. Они будут способствовать последующей клеточной эволюции и метаболизму. Каждый из этих трех основных процессов, вероятно, возник и много раз терялся до Первого Cell, но только тогда, когда эти три элемента произошли вместе, началась жизнь и началась дарвиновская эволюция организмов ». (Кох и Сильвер, 2005)
«Эволюция современных клеток, возможно, является самой сложной и важной проблемой, с которой когда-либо сталкивалась биология. Во времена Дарвина эту проблему трудно было вообразить. На протяжении большей части 20-го века это было В любом случае проблема была похоронена во всеобъемлющей рубрике «Происхождение жизни» - где, поскольку это биологическая, а не (био) химическая проблема, она фактически игнорировалась. Начался научный интерес к клеточной эволюции нужно было подобрать, как только универсальное филогенетическое дерево, рамки, в которых должна была быть решена проблема, были определены. Но только после того, как на сцене появилась микробная геномика, биологи действительно смогли многое сделать для решения проблемы клеточной эволюции ». (Карл Вёзе, 2002)
Эта статья включает материал из статьи Citizendium «Эволюция клеток », которая является под лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License, но не по GFDL.
