PÔVOD BUNKY: HLAVNÉ TEÓRIE (PROKARYOTICKÉ A EUKARYOTICKÉ) - BIOLÓGIE - 2026

Pôvod buniek siaha viac ako 3,5 miliardy rokov. Spôsob, akým tieto funkčné jednotky vznikli, vzbudil zvedavosť vedcov už niekoľko storočí.

Pôvod života ako taký bol sprevádzaný pôvodom buniek. V primitívnom prostredí boli podmienky prostredia veľmi odlišné od toho, čo pozorujeme dnes. Koncentrácia kyslíka bola prakticky nulová a atmosfére dominovalo ďalšie zloženie plynov.

Zdroj: pixabay.com

Rôzne skúsenosti v laboratóriu ukázali, že v počiatočných podmienkach prostredia Zeme je možná polymerizácia rôznych biomolekúl charakteristických pre organické systémy, konkrétne: aminokyseliny, cukry atď.

Molekula s katalytickou kapacitou a sama sa replikovať (potenciálne RNA) by mohla byť uzavretá vo fosfolipidovej membráne, čím by sa vytvorili prvé primitívne prokaryotické bunky, ktoré sa vyvinuli podľa darwinovských princípov.

Podobne je pôvod eukaryotickej bunky obvykle vysvetlený pomocou endosymbiotickej teórie. Táto myšlienka podporuje to, že veľká baktéria pohltila menšiu a postupom času vznikli organely, ktoré poznáme dnes (chloroplasty a mitochondrie).

Teória buniek

Bunka je termín, ktorý pochádza z celulózy latinského koreňa, čo znamená dutý. Toto sú funkčné a štrukturálne jednotky živých vecí. Tento výraz bol prvýkrát použitý v 17. storočí výskumníkom Robertom Hookom, keď skúmal list korku pod svetlom mikroskopu a pozoroval určitý druh buniek.

S týmto objavom sa viac vedcov - najmä príspevky Theodora Schwanna a Matthiasa Schleidena - zaujímalo o mikroskopickú štruktúru živej hmoty. Týmto spôsobom sa zrodil jeden z najdôležitejších pilierov biológie: teória buniek.

Teória tvrdí, že: a) všetky organické bytosti sú tvorené bunkami; b) bunky sú životnou jednotkou; c) chemické reakcie, ktoré udržujú život, prebiehajú v medziach bunky a d) všetok život pochádza z už existujúceho života.

Tento posledný postulát je zhrnutý v známej fráze Rudolfa Virchowa: „omniscellula ecellula“ - všetky bunky pochádzajú z iných už existujúcich buniek. Ale odkiaľ prišla prvá bunka? Ďalej opíšeme hlavné teórie, ktoré sa snažia vysvetliť pôvod prvých bunkových štruktúr.

Vývoj prokaryotických buniek

Pôvod života je jav úzko spojený so vznikom buniek. Na zemi existujú dve bunkové formy života: prokaryoty a eukaryoty.

Obe línie sa v zásade líšia z hľadiska ich zložitosti a štruktúry, pričom eukaryoty sú väčšie a komplexnejšie organizmy. To však neznamená, že prokaryoty sú jednoduché - jeden prokaryotický organizmus je organizovaná a zložitá aglomerácia rôznych molekulárnych komplexov.

Vývoj oboch odvetví života je jednou z najzaujímavejších otázok vo svete biológie.

Z chronologického hľadiska sa životnosť odhaduje na 3,5 až 3,8 miliardy rokov. Toto sa objavilo približne 750 miliónov rokov po vytvorení Zeme.

Vývoj foriem raného života: Millerove experimenty

V skorých 1920 myšlienka, že organické makromolekuly mohla samovoľne polymerizovať v podmienkach prostredia primitívne atmosféra - s nízkou koncentráciou kyslíka a vysokej koncentrácie CO ₂ a N ₂ , rovnako ako séria plynov, ako je H ₂ , H ₂ S a CO.

Predpokladá sa, že hypotetická primitívna atmosféra poskytla redukčné prostredie, ktoré spolu so zdrojom energie (ako je slnečné svetlo alebo elektrické výboje) vytvorili podmienky vedúce k polymerizácii organických molekúl.

Táto teória bola experimentálne potvrdená v roku 1950 výskumníkom Stanleym Millerom počas jeho postgraduálneho štúdia.

Potreba molekuly so samoreplikujúcimi sa a katalytickými vlastnosťami: svet RNA

Po určení nevyhnutných podmienok na tvorbu molekúl, ktoré nachádzame vo všetkých živých bytostiach, je potrebné navrhnúť primitívnu molekulu so schopnosťou ukladať informácie a replikovať sa - súčasné bunky ukladajú genetické informácie v jazyku štyroch nukleotidy v molekule DNA.

Doteraz je najlepším kandidátom na túto molekulu RNA. Až v roku 1980 objavili vedci Sid Altman a Tom Cech katalytické schopnosti tejto nukleovej kyseliny vrátane polymerizácie nukleotidov - kritický krok vo vývoji života a buniek.

Z týchto dôvodov sa verí, že život začal používať RNA ako genetický materiál, a nie DNA, ako to robí veľká väčšina súčasných foriem.

Obmedzenie životných bariér: fosfolipidy

Len čo sa získajú makromolekuly a molekula schopná ukladať informácie a replikovať sa, je nevyhnutná existencia biologickej membrány na určenie hraníc medzi živým a extracelulárnym prostredím. Evolučne tento krok označil pôvod prvých buniek.

Predpokladá sa, že prvá bunka vznikla z molekuly RNA, ktorá bola uzavretá membránou tvorenou fosfolipidmi. Posledne menované sú amfipatické molekuly, čo znamená, že jedna časť je hydrofilná (rozpustná vo vode) a druhá časť je hydrofóbna (nerozpustná vo vode).

Keď sú fosfolipidy rozpustené vo vode, majú schopnosť spontánne sa agregovať a tvoriť lipidovú dvojvrstvu. Polárne hlavy sú zoskupené oproti vodnému prostrediu a hydrofóbnym chvostom vo vnútri, navzájom v kontakte.

Táto bariéra je termodynamicky stabilná a vytvára kompartment, ktorý umožňuje oddelenie bunky od extracelulárneho prostredia.

V priebehu času RNA uzavretá v lipidovej membráne pokračovala vo svojej evolučnej ceste podľa darwinovských mechanizmov - až kým nepreukázala zložité procesy, ako je syntéza proteínov.

Vývoj metabolizmu

Keď sa tieto primitívne bunky vytvorili, začal sa vývoj metabolických ciest, ktoré dnes poznáme. Najpravdepodobnejším scenárom pôvodu prvých buniek je oceán, takže prvé bunky boli schopné získať jedlo a energiu priamo z prostredia.

Keď bolo jedlo obmedzené, museli sa objaviť určité bunkové varianty s alternatívnymi metódami získavania potravy a generovania energie, ktoré im umožnili pokračovať v replikácii.

Tvorba a kontrola bunkového metabolizmu sú nevyhnutné pre jeho kontinuitu. V skutočnosti sú hlavné metabolické cesty medzi súčasnými organizmami široko konzervované. Napríklad baktéria aj cicavec vykonávajú glykolýzu.

Navrhlo sa, že tvorba energie sa vyvinula v troch etapách, počínajúc glykolýzou, potom fotosyntézou a končiac oxidačným metabolizmom.

Pretože primitívne prostredie neobsahovalo kyslík, je pravdepodobné, že včasné metabolické reakcie prebehli bez neho.

Vývoj eukaryotickej bunky

Bunky boli jedinečne prokaryotické až asi pred 1,5 miliardami rokov. V tejto fáze sa objavili prvé bunky so skutočným jadrom a samotnými organelami. Najvýznamnejšou teóriou v literatúre, ktorá vysvetľuje vývoj organel, je teória endosymbiotika (endo znamená interná).

Organizmy nie sú vo svojom prostredí izolované. Biologické spoločenstvá vykazujú viacnásobné interakcie, antagonistické aj synergické. Zastrešujúci výraz používaný pre rôzne interakcie je symbióza - predtým sa používal iba pre vzájomné vzťahy medzi dvoma druhmi.

Interakcie medzi organizmami majú dôležité vývojové dôsledky a najdramatickejším príkladom je endosymbiotická teória, ktorú pôvodne navrhol americký výskumný pracovník Lynn Margulis v 80. rokoch 20. storočia.

Postuláty endosymbiotickej teórie

Podľa tejto teórie boli niektoré eukaryotické organely - napríklad chloroplasty a mitochondrie - pôvodne voľne žijúcimi prokaryotickými organizmami. V určitom okamihu evolúcie bola prokaryota prehltnutá väčšou, ale nebola strávená. Namiesto toho prežil a uväznil sa vo väčšom organizme.

Okrem prežitia sa synchronizovali aj reprodukčné časy medzi týmito dvoma organizmami, ktoré dokázali prejsť na ďalšie generácie.

V prípade chloroplastov vykazoval pohltený organizmus všetky enzymatické mechanizmy na vykonávanie fotosyntézy, pričom do väčšieho organizmu dodával produkty týchto chemických reakcií: monosacharidy. V prípade mitochondrie sa predpokladá, že pohlteným prokaryotom môže byť a-proteobaktéria predkov.

Potenciálna identita väčšieho hostiteľského organizmu je však v literatúre otvorenou otázkou.

Pohltený prokaryotický organizmus stratil svoju bunkovú stenu a počas evolúcie prešiel významnými modifikáciami, ktoré vychádzajú z moderných organel. Toto je v podstate endosymbiotická teória.

Dôkazy pre endosymbiotickú teóriu

V súčasnosti existuje mnoho faktov, ktoré podporujú teóriu endosymbiózy, a to: a) veľkosť súčasných mitochondrií a chloroplastov je podobná ako pri prokaryotoch; b) tieto organely majú svoj vlastný genetický materiál a syntetizujú časť proteínov, hoci nie sú úplne nezávislé na jadre a c) medzi oboma biologickými entitami existuje viacnásobná biochemická podobnosť.

Výhody eukaryotiky

Vývoj eukaryotických buniek je spojený s radom výhod oproti prokaryotom. Zvýšenie veľkosti, zložitosti a kompartmentalizácie umožnilo rýchly vývoj nových biochemických funkcií.

Po príchode eukaryotickej bunky došlo k mnohobunkeľnosti. Ak bunka „chce“ využívať výhody väčšej veľkosti, nemôže jednoducho rásť, pretože bunkový povrch musí byť vo vzťahu k svojmu objemu veľký.

Organizmy s viac ako jednou bunkou boli teda schopné zväčšiť svoju veľkosť a rozdeliť úlohy medzi viac buniek, ktoré ich tvoria.

Referencie

1. Altstein, AD (2015). Progénna hypotéza: nukleoproteínový svet a ako začal život. Biology Direct, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). Navrhovaný model prebiotického vývoja: použitie chaosu. Zborník Národnej akadémie vied, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biológia: Život na Zemi. Pearsonovo vzdelávanie.
4. Campbell, AN, a Reece, JB (2005). Biology. Editorial Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). Biológia 1: Konštruktivistický prístup. Pearson Education.
6. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Viacúrovňový výber v modeloch prebiotickej evolúcie: kompartmenty a priestorová samoorganizácia. Pôvody života a vývoj biosféry, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). Pôvod a skorý vývoj života: prebiotická chémia, svet pred RNA a čas. Celí, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K., & Alfonzo, J. (2016). Od prebiotík k probiotikám: Vývoj a funkcie modifikácií tRNA. Life, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF a Szostak, JW (2010). Počiatky bunkového života. Perspektívy Cold Spring Harbor v biológii, a002212.
10. Silvestre, DA a Fontanari, JF (2008). Modely balíkov a informačná kríza prebiotického vývoja. Journal of teoretická biológia, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P., & Mavelli, F. (2015). Protobunkové modely pôvodu života a syntetická biológia. Life, 5 (4), 1700 - 1702.