Образование клетки как этап эволюции: особенности эволюции клеток прокариот и эукариот

Образование клетки как этап эволюции

Спонтанное образование органических молекул и продолжительная эволюция дали начало прокариотическим клеткам, которые появились на планете примерно 3,5 млрд. лет назад. Такую гипотезу выдвинул А. И. Опарин.

Для первых клеток было характерным использование каталитических свойств белков и РНК. При этом, РНК у них выступала в качестве вещества наследственности. Постепенно структура и функции клеток становились сложнее, накапливались дополнительные каталитические белки. В итоге место молекулы РНК заняла двухцепочная ДНК, взявшая на себя функцию сохранения генетической информации.

Симбиотическая гипотеза объясняет, как появились эукариотические клетки. Согласно этой гипотезы, клеткой-хозяином выступал анаэроб. Аэробное дыхание возникло в связи с тем, что аэробные бактерии проникли в клетку-хозяина и стали сосуществовать с ней в виде митохондрий.

Благодаря наличию в зеленых растениях хлоропластов, они способны к фотосинтезу. Хлоропласты, по мнению многих, возникли из прокариотических сине-зеленых водорослей: они были симбионтами клетки-хозяина.

Система внутриклеточных мембран, образующая гладкую и зернистую эндоплазматические сети (ЭПС), ядерную оболочку и комплекс Гольджи, является производной внешней мембраны клетки, которой характерно ветвление.

Происхождение генетического материала ядра является довольно сложным вопросом. Есть предположения, что он тоже образовался из симбиотических прокариот. Скорее всего, что увеличение числа ядерной ДНК происходило постепенно — по мере перемещения генетического материала из геномов симбионтов в участок клетки, ограниченный мембраной.

Появление митоза, как механизма, равномерно распределяющего генетический материал и воспроизводящего клетки, также было очень важным. В процессе эволюции возник еще одни механизм деления клеток — мейоз. Это решило проблему, связанную с размножением многоклеточных организмов.

Все эти процессы на протяжении 1 млрд лет эволюции позволили эукариотическому типу клеточной эволюции обусловить многообразие живых организмов и пройти путь от простейших до человека.

Эволюция клетки прокариот

Ископаемые останки бактерий и цианобактерий, изученные учеными, дают основания предполагать, что начальная клеточная форма — это примитивная прокариотическая клетка, возникшая 3,5 млрд. лет назад.

Чтобы обеспечить собственное существования, клетки этого типа использовали органические молекулы небиологического происхождения. Образование мембраны, окружающей клеточное вещество, стало первым шагом на пути формирования примитивной клетки.

Позже в клетках примитивных прокариот возникли механизмы синтеза и энергетического обеспечения. У первых прокариотических клеток были простейшие каталитические системы. Поэтому основой получения ими энергии было брожение.

Можно сделать вывод, что прокариотические клетки эволюционно изменялись с помощью развития разнообразных путей метаболизма. В ходе развития их генома формировались «голые» молекулы ДНК.

Эволюция клетки эукариот

Клетки эукариот в ходе эволюции менялись за счет увеличения разнообразия форм, структуры и функций, а также компартментализации биохимических систем и сохранения общего для всех аэробного метаболизма, происходящих одновременно.

Возникновение эукариотической клетки из прокариотической произошло примерно менее 1 млрд лет назад.

Есть 4 гипотезы, объясняющие происхождение эукариотической клетки.

Первая гипотеза происхождения эукариот

Одна из гипотез возникновения эукариот — гипотеза клеточного симбиоза. Эта гипотеза имеет наибольшее число сторонников. Согласно ей, эукариотическая клетка — это симбиотическая структура, состоящая из нескольких клеток различного типа, которые окружены общей для всех мембраной.

Многие считают, что пластиды клеток современных зеленых растений возникли из бактерий, предшественников современных цианобактерий, которые способны к фотосинтезу. Митохондрии эукариотических клеток появились из аэробных бактерий — последние вступали в симбиоз с примитивными анаэробными клетками, у которых была способность к фотосинтезу. В результате образовались клетки, которые могли существовать в кислородной атмосфере и использовать кислород в процессе дыхания.

Считается, что ядро — это рудимент какого-либо внутриклеточного симбионта, потерявшего свою цитоплазму после того, как был включен в исходную клетку.

Подтверждением этого являются данные о временных симбиотических связях отдельных организмов.

Пластиды и митохондрии содержат свою систему генетической информации о синтезе белков. Она представлена в виде ДНК, тРНК, мРНК и соответствующих ферментов.

Вторая гипотеза происхождения эукариот

Последователи второй гипотезы утверждают, что эукариотическая клетка образовалась от клетки прокариот и содержала несколько геномов, которые были прикреплены к клеточной мембране.

Впячивание клеточной мембраны внутрь цитоплазмы привело к образованию мезосом, у которых в первое время была способность к фотосинтезу. Потом произошла специализация этих органелл: одна из них потеряла способность к дыханию и фотосинтезу и преобразовалась в ядро, а другие — развили эти опции, дав начало митохондриям и пластидам.

Третья гипотеза происхождения эукариот

В ее основе — мысль о том, что все живые формы произошли от предковых анаэробных гетеротрофов. Эукариоты — это сублиния бесстеночных анаэробных прокариот, у которых есть способность к эндоцитозу.

Примитивная клетка стала эукариотической за счет того, что «поглотила» других прокариот — так она получила дополнительные метаболические способности и деградировала в органеллы.

Четвертая гипотеза происхождения эукариот

Возникновение клеток эукариот произошло из прокариот — изначально они содержали множество распадающихся на части геномов, давших начало структурам с различными функциями. Завершающим этапом было клонирование структур с подобными функциями. Далее они покрывались двойными мембранами, происходило образование ядра, митохондрий и мембранной сети.

Также можно утверждать о схожести генетического кода, который находится в ядерной и митохондриальной ДНК, и регуляции дыхательной функции ядра и митохондрий.

Из всех перечисленных первая гипотеза самая популярная. При этом важно обозначить, что, несмотря на похожесть митохондрий и хлоропластов на временные бактерии-аэробы и цианобактерии, между ними существуют заметные различия. Одно из таких различий заключается в том, что митохондрии и хлоропласты содержат меньше ДНК, чем клетки бактерий.

Геном эукариот развивался при помощи объединения молекул ДНК и белков. Хроматин и хромосомы в этом случае формировались разной формы и в различном количестве. Отмечалась специализация хроматина: формировались эухроматин и гетерохроматин, аутосомы и половые хромосомы.

Пока не до конца понятно, почему в ходе эволюции у конкретных организмов сформировалось именно такое количество хромосом. Зачастую у примитивных организмов их больше, чем в клетках более эволюционно развитых.

Но что точно ясно, так это то, что в образовании новых видов большую роль играли структурные и количественные изменения в кариотипах. Кроме того, в это же время усложнялась структура и функции компонентов клетки, происходило развитие регуляторных механизмов.

Большое значение также имело эволюционное развитие митоза. Важное условие, обеспечивающее многоклеточность — точное распределение хромосом в процессе митоза. Но логичных объяснений происхождения самого митоза нет. Предполагают, что он развивался из примитивного митоза, в ходе которого при расхождении реплицировавшихся хромосом не происходило разрушения ядерной мембраны.