Как появилась первая клетка на земле кратко

Обновлено: 17.05.2024

Прокариотические клетки появились на Земле приблизительно 3,5 млрд. лет назад в результате спонтанного образования органических молекул и продолжительной эволюции (гипотеза А.И. Опарина).

Появление ферментативных (каталитических) молекулярных механизмов стало решающим этапом в этом процессе.

В первых клетках использовались каталитические свойства белков и РНК, а в качестве вещества наследственности в них содержалась только РНК. Структура и функции клеток усложнялись, накоплялись дополнительные каталитические белки и в результате молекулу РНК заменила двухцепочная ДНК, которая сохраняла генетическую информацию.

Происхождение эукариотических клеток объясняют симбиотической гипотезой, согласно которой клеткой-хозяином был анаэроб. Переход к аэробному дыханию связан с проникновением аэробных бактерий в клетку – хозяина и сосуществование с ней в виде митохондрий.

Зелёные растения благодаря наличию в них хлоропластов способны к фотосинтезу. Считают, хлоропластам дали начало прокариотические синезелёные водоросли, которые являлись симбионтами клетки-хозяина. Основным аргументом в пользу симбиотической гипотезы является наличие в митохондриях и хлоропластах собственной ДНК.

Производными внешней мембраны клетки, способной ветвиться, является система внутриклеточных мембран, образующих гладкую и зернистую эндоплазматические сети, комплекс Гольджи, ядерную оболочку.

Достаточно сложным является вопрос о происхождении генетического материала ядра. Предполагают, что оно так же образовалось из симбиотических прокариот. Наверное, количество ядерной ДНК увеличивалось постепенно – генетический материал перемещался из геномов симбионтов в ограниченный мембраной участок клетки.

Очень важно и возникновение митоза как механизма равномерного распределения генетического материала и воспроизведения клеток. В ходе дальнейшей эволюции появился ещё один механизм деления клеток – мейоз, благодаря чему решилась проблема размножения многоклеточных организмов. Переход к половому размножению содействовал появлению комбинативной изменчивости, а при этом существенно увеличилась скорость эволюции.

Готовые работы на аналогичную тему

Благодаря этим процессам за 1 млрд. лет эволюции эукариотический тип клеточной организации обусловил разнообразие живых организмов от простейших к человеку.

Эволюция клетки прокариот

На основании изучения ископаемых останков бактерий и цианобактерий предполагают, что изначальной клеточной формой была примитивная прокариотическая клетка, которая возникла около 3,5 млрд лет назад.

Клетки такого типа для обеспечения своего существования сначала использовали органические молекулы небиологического происхождения. Первым шагом в формировании примитивной клетки было образование мембраны, окружающей клеточное вещество.

В дальнейшем у примитивных прокариот в клетках развились механизмы синтеза и энергетического обеспечения. Предположительно, что первые прокариотические клетки имели самые простые каталитические системы, в результате чего обеспечение их энергией базировалось на брожении.

Далее у отдельных видов прокариот клетки перешли из процесса брожения на процесс дыхания, что способствовало более эффективому получению энергии.

Эволюция клетки эукариот

Изменения клеток эукариот в процессе эволюции шли путём возрастания разнообразия форм, структуры и функций с одновременной компартментализацией биохимических систем и сохранением общего для всех клеток аэробного метаболизма.

Предположительно, что эукариотические клетки возникли из прокариотических менее 1 млрд. лет назад.

Для объяснения их происхождения выдвинуто четыре гипотезы.

Согласно одной из этих гипотез (гипотезы клеточного симбиоза), наиболее распространённой, предполагают, что эукариотическая клетка является симбиотической структурой, которая состоит из нескольких клеток различных типов, окружённых общей мембраной. В частности, предполагают, что пластиды в клетках современных зелёных растений берут начало от бактерий, предков современных цианобактерий, способных к аэробному фотосинтезу, а митохондрии эукариотических клеток берут начало от аэробных бактерий, которые вступали в симбиоз с примитивными анаэробными клетками, способными к фотосинтезу, что вызвало образование клеток, способных к существованию в кислородной атмосфере и к использованию кислорода путём дыхания.

Относительно ядра предполагают, что оно является рудиментом так же какого-то внутриклеточного симбионта, который потерял свою цитоплазму после включения в исходную клетку.

Этой гипотезе соответствуют и данные о временных симбиотических связях некоторых организмов.

Одноклеточная зелёная водоросль хлорелла (Chlorella) живёт в цитоплазме зелёного лишайника парамеции (Paramecium bussaria). Благодаря способности к фотосинтезу она поставляет парамеции питательные вещества.

В пластидах и митохондриях содержится собственная система генетической информации о синтезе белков в виде ДНК, тРНК, мРНК, рРНК и соответсвующих ферментов.

Для хлоропластов и митохондрий прокариот характерны схожие способы репродукции (все они одинаково размножаются путём простого деления надвое).

Согласно другой гипотезе считают, что эукариотическая клетка образовавшаяся от клетки прокариот, содержала несколько геномов, прикреплённых к клеточной мембране.

В результате впячивания клеточной мембраны внутрь цитоплазмы образовывались мезосомы, которые первоначально могли фотосинтезировать. Но в дальнейшем эти органеллы специализировались: одна утратила способность к дыханию и фотосинтезу и преобразовалась в ядро, а другие, наоборот, эти функции развивали и дали начало митохондриям и пластидам.

Подтверждением этой гипотезы является двойное строение мембран ядра, пластид и митохондрий.

Третья гипотеза базируется на информации о происхождении всех живых форм от предковых анаэробных гетеротрофов. Эукариоты являются сублинией бесстеночных (анаэробных) прокариот способных к эндоцитозу.

Согласно четвёртой гипотезе припускают, что клетки эукариот возникли из клеток прокариот, содержали много распадающихся на части геномов, которые дали начало структурам с различными функциями. В дальнейшем шло клонирование структур с подобными функциями. После чего они покрывались двойными мембранами, образовались ядро, митохондрии, а позже и мембранная сеть. Есть данные и о схожести содержащегося в митохондриальной и ядерной ДНК генетического кода, а так же подобие в регуляции дыхательной функции ядра и митохондрий.

Как сказано выше, сейчас наиболее популярной является симбиотическая гипотеза происхождения эукариотических клеток. Однако, соглашаясь с этой гипотезой, нельзя не отметить, что митохондрии и хлоропласты вопреки их подобности с временными бактериями-аэробами и цианобактериями всё же имеют существенные отличия. В частности, в митохондриях и хлоропластах намного меньше ДНК, чем в клетках бактерий.

В ходе эволюции хлоропласты и митохондрии подверглись значительным изменениям в направлении своих размеров.

Далее развитие генома эукариот шло путём объединения молекул ДНК и белков. При этом формировался хроматин и хромосомы различной формы и в разном количестве. Происходила специализация хроматина: формировался эухроматин и гетерохроматин, формировались аутосомы и половые хромосомы. Пока что тяжело объяснить эволюционную тенденцию количества хромосом, поскольку в клетках многих примитивных организмов содержится большее число хромосом, чем в клетках более эволюционно развитых организмов. Однако несомненно, структурные и количественные изменения в кариотипах имели важное значение в образовании новых видов. Параллельно и усложнялись структура и функции компонентов клетки компонентов, развитие регуляторных механизмов.

Несомненно и эволюционное значение митоза. Точность распределения хромосом в процессе митоза - это условие, благодаря которому обеспечивается многоклеточность. Однако нет достаточных объяснений происхождения самого. Предположительно, что развивался он из примитивного митоза, при котором в процессе расхождения реплицировавшихся хромосом ядерная мембрана не разрушается.

Как появилась первая клетка, в связи с давностью лет ещё окончательно не ясно, но примерный процесс был такой.

1) В начале под действием различных природных факторов (тепло, ультрафиолетовое излучение, электрические разряды) появились первые органические соединения, которые послужили материалом для построения живых клеток.

2) Ключевым моментом в истории развития жизни видимо стало появление первых молекул-репликаторов. Репликатор – это своеобразная молекула, которая является катализатором для синтеза своих собственных копий или матриц, что является примитивным аналогом размножения в животном мире. Из наиболее распространённых в настоящее время молекул, репликаторами являются ДНК и РНК. Например, молекула ДНК, помещённая в стакан с необходимыми компонентами, самопроизвольно начинает создавать свои собственные копии (хотя и значительно медленнее, чем в клетке под действием специальных ферментов) .

3) Появление молекул-репликаторов запустило механизм химической (добиологической) эволюции. Первым субъектом эволюции были скорее всего примитивные, состоящие всего из нескольких нуклеотидов, молекулы РНК. Для этой стадии характерны (хотя и в очень примитивизированном виде) все основные черты биологической эволюции: размножение (репликация) , мутации (ошибки при создании копий) , смерть (химическая или физическая деструкция молекулы) , борьба за выживание и естественный отбор (устойчивость к внешним физическим и химическим факторам) .

4) Химической эволюции способствовал тот факт, что РНК является универсальной молекулой. Кроме того, что она является репликатором (т. е. носителем наследственной информации) , она может выполнять функции ферментов (например, ферментов, ускоряющих репликацию, или ферментов, разлагающих конкурирующие молекулы) .

5) В какой-то момент эволюции возникли РНК-ферменты, катализирующие синтез молекул липидов (т. е. жиров) . Молекулы липидов обладают одним замечательным свойством: они полярны и имеют линейную структуру, причём толщина одного из концов молекулы больше, чем у другого. Поэтому молекулы липидов во взвеси самопроизвольно собираются в оболочки, близкие по форме к сферическим. Так что РНК, синтезирующие липиды, получили возможность окружать себя липидной оболочкой, значительно улучшившую устойчивость РНК к внешним факторам.

6) Постепенное увеличение длины РНК приводило к появлению многофункциональных РНК, отдельные фрагменты которых выполняли различные функции.

7) Первые деления клеток происходили, видимо, под действием внешних факторов. Синтез липидов внтутри клетки приводил к увеличению её размеров и к потере прочности, так что большая аморфная оболочка разделялась на части под действием механических воздействий. В дальнейшем возник фермент, регулирующий этот процесс.

Как РНК предало функции хранения генетической информации ДНК, как возникла временная синхронизация процессов в клетке, на какой стадии был запущен синтез белков – можно только догадываться, так что на этом экскурс в историю возникновения жизни я заканчиваю.

Лариса Крушельницкая Гений (53866) Полагаю, вы ожидали длинного мазохистического цитирования Библии, или убедительных заверений, что жизнь соворена единомоментно некоей мифической высшей разумной силой. Думаю также, что вы достаточно разумный человек, чтобы понять, что этот ответ я писала не для вас :=).

Лариса Крушельницкая Гений (53866) Единой официальной научной точки зрения пока нет. Я излагаю одну из гипотез, которая мне кажется более вероятной.

Клетка могла возникнуть исключительно одноместно.
Отдельное существование белковых молекул (коим неоткуда взяться, максимум могут возникнуть аминокислоты и тут же разрушиться), а также органелл бессмысленно.

Ни одна органелла в "первичном бульоне" не выживет.
Информация о каждой молекуле клетки записана в малекуле нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), поэтому не могли возникнуть отдельно друг от друга ДНК или РНК, мембрана (которая представляет собой весьма сложную структуру) и органеллы.

Даже если допустить возможность случайного зарождения клетки (научного в этом ровно столько, сколько то, как в сказке жаба превращалась в красавицу), она погибнет через энное время.
За считанные миги существования она должна научиться делиться, не допустив ни одной ошибки в геноме, что невозм

Лариса Крушельницкая Гений (53866) Похоже, вы комментируете, не читая. Ответ на всё, что вы здесь написали, есть в исходной реплике. Клетка не возникла одномоментно. Одномоментно возникла только оболочка. Процессы, аналогичные обменным процессам в клетке, шли без всякой оболочки в открытых водоёмах. Возникновение клетки - это всего лишь обособление этих процессов в небольшой объёме. Почему органелла не выживет а первичном бульоне? Что её погубит? Ведь хищников ещё нет. Вообще ничего живого ещё нет. РНК прекрасно живёт сама по себе. РНК вообще универсальная молекула, она может выполнять все функции, которые в клетке выполняет ДНК и белки — может нести генетическую информацию, может работать как фермент, может быть механической конструкцией.

А как появился бог? А как появилось то что создало бога? И дальше в таком же направление)
Если предположения?))

Прах Ученик (237) А как появилась живая клетка на планете в бесконечном пространстве скорее всего многомерном из не органических частиц? есть предложения?

как программист, могу со 100% уверенностью сказать, что у всякого объекта есть создатель. Чтобы создать даже простую программу, которая будет выполнять одну функцию, необходимо продумать все аспекты и правильно написать к примеру 5 строк кода, которые сами собой могли бы сложиться в 1 случае из огромнейшего числа вариантов (числа с миллионами нулей), что в мире точных наук считалось бы просто невероятным.

А тут вопрос стоит о живой клетке. Которая имеет форму и выполняет какие-то функции, а также имеет днк (рнк), в котором как в справочнике описаны все эти функции и строение.

И нам пытаются навешать лапшу, что якобы как-то случайно под действием внешних факторов из простых соединений вдруг оп. и возникла ЖИВАЯ (функционирующая клетка). То есть представим себе стройплощадку, на которой есть кирпичи, цемент, трубы, радиаторы, шифер и прочие материалы. Вдруг происходит землятресение, дождь и молнии и из этих материалов случайно сам собой строится дом с системами отопления, водоснабжения и канализации, и в нем уже все функционирует.

Если в это не вдумываться, не разбираться в деталях, то наверняка можно и поверить, но если уж копнуть в суть вопроса, то теория эволюции начинает ломаться как карточный домик. И кстати заметьте. Это всего лишь ТЕОРИЯ, которая НЕ ДОКАЗАНА. пишут, что первые клетки были якобы очень простыми, а молекулы рнк примитивными. Покажите сейчас эти простые клетки с примитивными рнк-молекулами. Где они?

Ну и так далее, вся теория эволюции - это цепочка невероятных НЕДОКАЗАННЫХ мутаций, в результате которых простые клетки превратились в сложные. Затем отдельные клетки превратились в многоклеточные организмы (с чего бы вдруг?), видимо снова поспособствовали внешние факторы. Потом еще было много мутаций-мутаций-мутаций и появились животные с глазами, ушами, рецепторами и прочими сложно-устроенными органами и системами организма.

Меня вот интересует, как, например, появился глаз. Эволюционисты пишут, что сначала отдельные клетки многоклеточных реагировали на свет, потом эти клетки стали образовывать группы, потом с чего то вдруг, места нахождения этих групп стали углубляться, затем вдруг откуда ни возьмись появилась прозрачная стенка (хрусталик) между полостью со зрительными клетками и внешним миром. История конечно не вероятная. С чего бы вдруг клеткам углубляться внутрь организма и образовывать полость? Где эти примеры живых существ, которые могут доказать эту последовательность?

Далее было много-много мутаций и в конце-концов появился человек с СОЗНАНИЕМ (душой), мыслящий, творящий. Появление сознания тоже было мутацией или как? А ведь сознание - это целый мир внутри нас с разнообразным спектром чувств и желаний.

В общем господа, если хотите разбираться, что и откуда, копайте, копайте и еще раз копайте! Я долго копал и пришел к выводу, что у любого творения есть творец, мудрость которого вложена в творение. Напомню еще раз, что я программист, поэтому вопрос создания простого и сложного мне близок. И как никто другой понимаю, за за любым предметом стоит его создатель.

А глядя на все разнообразие и красоту этого мира, на сбалансированность и гармонию нашей планеты я понимаю, что тот, кто это все сотворил очень добрый и невероятно мудрый

о, мракобес верун смешал программирование и "бога". ахахаха. Посмешил, за это спасибо. Ответь, ты в курсе, что есть естественное и искусственное? Для природы мы - естественны. Если человека создает - искуственное. Для природы человек естественное/стихийное проявление - все что создает человек (для природы) естественный процесс. Есть причина и следствия. Все само по себе работает, никто не нужен. Жду ответа, пошевели извилинами, мракобес

Если человек в здравом уме и умеет хоть как-то рассуждать, он поймет, что законы термодинамики никто не отменял, а если, 2 закон гласит о том, что любая система предоставленная сама себе стремится к разрушению.
Но воздействие со стороны может предотвратить это разрушение. Так, например наша вселенная не разрушилась только благодаря этому воздействию. Масштаб вселенной огромны, значит и воздействие, упорядочивающее эту систему колоссально. Это воздействие может оказывать только разумная сила, т. к. информация может создаваться только благодаря разумному Источнику. В нашей вселенной этим источником является Бог.

Как появилась жизнь на планете Земля. Я думаю наша планета единственный живой организм. Она живая просто состоит из разных материалов созданный. В глубоком космосе из чего сам космос. Какую строительную силу имеет что бы строить наш мир. Значит первое вода она живая. Камень наш тоже живой по структуре что представляет Литосферу планету. Главное должна быть почва что дает растения а они были первые. А как же мы должна быть такая масса где и появляется Р Н К самое самое. Где начинается жизнь процесс пошел. Вот скажем первый человек он как появился. Что подвигло ему появится и какой материал по служил. Когда рождаешься видишь свет. Когда заканчиваешь закрываешь видишь тьму. Энергия главный источник всего живого она и управляет.

Обзор

Автор

Редактор

Одной из главных причин, по которой мы изучаем биологию, является желание понять наше происхождение. Чем больше ископаемых остатков мы изучим, тем больше ветвей добавится к нашему биологическому древу. Но все ветви растут из единого ствола. Так кто же находится у корней?

Ранняя Земля

Во время первых стадий своего формирования Земля кардинально отличалась от той картинки, с которой она ассоциируется у большинства из нас. Было время, когда не существовало жизни и даже намеков на нее. Внешний вид планеты и условия на ней представить довольно сложно, но возможно. После столкновения с Тейей (рис. 1), в результате которого образовалась Луна [1], вся поверхность Земли превратилась в магму с температурой выше 2000 °С. Началось испарение силикатов и водяного пара. В такой протоатмосфере были метан и углекислый газ, благодаря которым создавался сильнейший парниковый эффект.

Рисунок 1. Так художник Билл Карр (Bill Carr) изобразил последствия столкновения Земли с гипотетической Тейей

Когда возникла жизнь?

В 2015 году американский журнал Proceedings of the National Academy of Sciences опубликовал статью, которая подтверждает, что на Земле жизнь зародилась ~4,1 миллиарда лет назад [3]. Геохимик Элизабет Белл и ее коллеги анализировали породы массива Джек Хиллс в Западной Австралии и нашли в одном из цирконов (его датируют 4,1 миллиардами лет) включения углерода. Авторы статьи настаивают на том, что этот циркон образовался среди органических соединений, попадавших в мантию в ходе столкновения тектонических плит. Возможно, именно в этом районе Земли впервые зародилась жизнь.

Мир РНК

Появление теории и ее предшественники

После открытия структуры ДНК и подробного цитологического анализа современных эукариот ученые пришли к выводу, что для формирования подобной структуры из первичного бульона ушло бы больше времени, чем существует Вселенная! Также было выяснено, что на тогдашней Земле отсутствовали в нужном объеме многие химические элементы, в частности фосфор, необходимые для формирования такой сложной структуры как эукариотическая клетка [2]. По этим и другим причинам господствующая теория абиогенеза отошла на второй план, и начались поиски другой теории, объясняющей появление современной клетки.

Самой очевидной и простой была теория панспермии (см. врезку) — внеземного происхождения жизни на более пригодной планете и ее распространения на Землю с одним из небесных тел (рис. 2) [4]. Одним из главных аргументов является малое количество на Земле молибдена — элемента, содержащегося во многих жизненно необходимых ферментах. Но все же гипотеза не объясняет происхождение самой жизни, а только указывает возможный путь ее попадания на нашу планету в далеком прошлом из неизвестного уголка Вселенной.

Рисунок 2. В космическом пространстве находится множество молекул (в том числе и органических), способных попасть на Землю

Панспермия

Рисунок 3. Отрывок комикса на тему теории панспермии

Первым высказал идею панспермии (рис. 3) древнегреческий мыслитель Анаксагор в 5 веке до нашей эры, но свое развитие теория получила лишь в 20 веке нашей эры. Фред Хойл и Чандра Викрамасингх были влиятельными сторонниками панспермии, и в 1974 году они выдвинули гипотезу о том, что некоторая пыль в межзвездном пространстве содержит углерод и является органической. Позже их гипотеза подтвердилась [5]. Хойл и Викрамасингх также утверждали, что некие формы жизни продолжают проникать в атмосферу Земли и могут быть ответственны за эпидемические вспышки, новые заболевания и генетическую новизну, необходимую для макроэволюции [6].

Особенно активно эта теория начала развиваться в 21 веке. На МКС с 2008 по 2015 годы проводили эксперименты, связанные с нахождением микроорганизмов в открытом космосе за пределами станции. В течение полутора лет микробы и их споры подвергались воздействию солнечных лучей и вакуума. Некоторые организмы сохранились в неактивном состоянии значительное время [7], и эти образцы, защищенные смоделированным метеоритным материалом, дают экспериментальные подтверждения гипотетического сценария панспермии.

В 2017 году группа российских ученых обнаружила на облицовке МКС споры земных бактерий, подобных микроорганизмам из вод Карского и Баренцева морей. Это означает возможный перенос бактерий из стратосферы в ионосферу с помощью восходящих потоков глобальной электрической цепи Земли [8].

Радикальная гипотеза

Позже выяснилось, что многие процессы в клетке происходят благодаря рибозимам. Очень ярким примером является рибосома, активный центр которой представлен катализирующей рРНК.

Итак, теория мира РНК гласит, что первыми прообразами организмов были автокаталитические циклы, состоящие из этих самых рибозимов и работающие в тем или иным образом ограниченном пространстве [13]. Как мы уже сказали выше, в какой-то момент нуклеотиды, самопроизвольно образовавшиеся в первичном бульоне, под действием высоких температур начали соединяться, и образовали макромолекулы — молекулы РНК, которые были способны копировать друг друга. Кроме такой уникальной возможности, РНК могла синтезировать белки на основе структуры других молекул РНК и хранить информацию. То есть все жизненно важные процессы проходили тогда исключительно на основе РНК.

Однако рибонуклеиновая кислота оказалась довольно плохим накопителем информации из-за своей нестабильности и склонности к быстрой деградации. (Исключение могут составлять, например, РНК-вирусы, генетический материал которых защищен капсидом от разрушительного воздействия окружающей среды. Такие вирусы имеют специальный фермент — обратную транскриптазу, — катализирующий синтез ДНК по матрице РНК после попадания вирусного генетического материала в клетку. Однако не стоит забывать, что вирусы не проявляют признаков жизнедеятельности за пределами клетки и полностью зависят от нее.) И впоследствии, с ходом эволюции, РНК передала свои ферментативные функции белкам, а длительное хранение генетической информации — ДНК.

К сожалению, пока исследования показывают, что ни один природный рибозим не может создать копию себя [14] (хотя синтетические уже могут), и поэтому теория мира РНК еще не является полностью доказанной.

Возникновение клетки

Существуют две основные теории происхождения первой протоклетки, которую можно определенно назвать организмом в современном понимании. Оба предположения могли быть реализованы в условиях молодой Земли.

Сторонники первой теории утверждают, что первая протоклетка могла появиться в зонах с геотермической активностью. Под воздействием врéменных высоких температур вода на какой-то период почти полностью испарилась, и полимеры сконцентрировались в скоплениях жирных кислот — образовался прототип клетки. После сухого периода снова вернулась водная среда, и организм мог начать полноценно функционировать. Подобные геоактивные зоны сейчас находятся на Камчатке и в Йеллоустонском парке [17].

Вторая теория подразумевает, что первый организм мог образоваться в зоне океанических гидротермальных источников. Минеральная полупроницаемая оболочка, покрывающая горные породы жерла источника и поры в нем, эффективно отделяла щелочную среду от более кислой. В результате создавался градиент pH, с помощью которого могли синтезироваться первые органические вещества, такие как углекислый газ [17]. Сходство с живым организмом заключается в том, что гидротермальные источники также частично изолированы от внешней среды. Существование жизни в подобных геотермальных неорганических ячейках поддерживалось постоянным притоком необходимых биогенов, особенно водорода, которой не так легко найти где-то в чистом виде, и температурой магмы, шедшей из недр Земли. Сегодня эта гипотеза Уильяма Мартина и Майкла Рассела считается более правдоподобной и реалистичной [18], [19]. Современным аналогом гидротермальных источников могут служить черные курильщики, которые и сейчас являются оазисами жизни посреди пустынного океанского дна (более подробно курильщики описаны под рисунком 7).

Прогеноты

В 1977 году Карл Вёзе и Жан Фокс определили прогенота как гипотетическую допрокариотную стадию эволюции клетки:

Эукариоты возникли из прокариот, но только с организационным различием, не филогенетическим. Аналогично прокариоты появились из более примитивных форм жизни. Самые эволюционно ранние организмы называются прогенотами, потому что они еще в процессе развития отношений между генотипом и фенотипом.
The concept of cellular evolution [20]

Вопрос о строении прогенотов остается открытым, но кое-что можно сказать уже сейчас. Это были куски генетической информации в виде рибозимной РНК без строго определенного количества генов, изолированные от внешней среды спонтанно собранными фосфолипидными мицеллами (в первичном бульоне содержались все компоненты для образования подобной структуры) [15], [16]. С этой РНК происходили все необходимые для жизнедеятельности процессы — трансляция, репликация и репарация, — но существовала одна значительная проблема. Внутриклеточные процессы зависели от множества факторов внутри- и внеклеточной сред, и по большей части от того, что РНК непригодна для длительного хранения генетической информации, поскольку в агрессивной среде очень быстро деградирует [15].

Однако мы видим явное преимущество прогенотов перед одинокими рибозимными молекулами (и даже их группами) в том, что:

Прогеноты содержат разнообразные и функционально специализированные РНК-молекулы (информационная РНК, хранящая генетический код, и, например, ферментативная РНК, осуществляющая синтез чего-либо).
Прогеноты изолированы от внешней среды, что дает базис для возможного развития внутриклеточной структуры и появления настоящей прокариотной клеточной мембраны.

Следующая стадия клетки должна была уже модернизировать внутреннюю систему, создать полупроницаемую мембрану и развить отношения между генотипом и фенотипом, то есть стать прокариотом.

Насколько он древний?

LUCA жил еще до появления любого из современных представителей земной жизни (рис. 6), до разделения всего живого на эукариот, бактерий и архей (по трехдоменной системе Вёзе) [21–23]. LUCA появился в палеоархее, около 3,6 миллиардов лет назад [24]. Учитывая тот факт, что Земле 4,5 миллиарда лет [25], его можно считать эволюционно очень ранним организмом. Для примера, эукариоты появились только 1,84 миллиарда лет назад, в орозирии [25].

Рисунок 6. Новый взгляд на клеточную эволюцию. На схеме старой парадигмы (А) мы можем видеть, что прогеноты были связующим звеном между РНК-миром и новым разнообразным ДНК-миром. Современный подход (В) говорит, что между прогенотами и тремя доменами существовал последний общий предок, который и выполнял эволюционно переходную функцию.

В старой эволюционной парадигме мы видим только одну, одностороннюю, стрелочку, перпендикулярную трем ветвям-доменам — она иллюстрирует теорию эндосимбиогенеза (рис. 6). Теория гласит, что предшественники некоторых органоидов современных эукариот были свободноживущими бактериями, которые попали в эукариотическую клетку и как-то смогли выжить, наладив отношения с клеткой-хозяином. Примером может служить митохондрия, которая до фагоцитоза была свободной альфа-протеобактерией, или же первичные хлоропласты — в прошлом цианобактерии . Первые предположения о внутриклеточном симбиозе высказывали еще в 19 веке по аналогии с недавно открытым лишайником (симбиозом гриба и бактерии) [27]. Подтверждение теория нашла уже во второй половине 20 века одновременно с резким скачком в генетике, цитологии и микробиологии в целом. Кроме аргумента о несинхронности жизненных циклов симбионта и хозяина, появились цитологические и молекулярные, такие как собственный генетический материал симбионтов или рибосомы.

Новая парадигма обзавелась еще одной перпендикулярной стрелкой — LGT (от англ. lateral gene transfer), или горизонтальным переносом генов (рис. 6). Это одна из главных проблем определения генома LUCA. Горизонтальный перенос генов и слияние ранее независимых линий превратили дерево жизни в сеть жизни. Если мы определим общий ген для архей и бактерий, то будет ли он присутствовать у LUCA как последствие обычной вертикальной передачи генов (по наследству) или же из-за этого самого горизонтального переноса? Приведем яркий пример, не пользуясь понятием LGT: у аэробных архей бактериальный тип дыхания. Значит ли это, что археи — потомки (или предки) аэробных бактерий? Как мы знаем, кислород вырабатывается цианобактериями, следовательно, аэробные археи должны были появиться позже них, и тогда о трех доменах не может идти и речи, т.к. у корня биологического древа следует поставить цианобактерий. Но если включить в систему горизонтальный перенос генов, то всё становится на свои места.

Условия обитания

Благодаря тогдашним климатическим условиям нашей планеты, можно считать LUCA крайним экстремофилом, в связи с чем связано наличие некоторых особенностей его физиологии:

Как выглядел LUCA

Стоит отметить, что LUCA — прокариот [26] и стоит на эволюционно более высоком уровне, чем прогеноты. Время, ушедшее на преобразование из прогенотов в такой сравнительно сложный организм, было просто колоссальным. За этот период LUCA приобрел ряд усовершенствований, связанных в первую очередь с метаморфозами клеточной мембраны и генома. Наследственная информация была строго упорядочена и представлена в виде правильно оформленной молекулы ДНК (или РНК) в отличие от хаотично плавающих в замкнутом пространстве мицелл кусков РНК прогенотов.

Формированию внутриклеточных структур прогенотов препятствовала их зависимость от внешней среды. Отсутствие частично проницаемой мембраны не давало допрокариотам оставлять все нужные вещества внутри клетки. Но уже на уровне LUCA появляется частичная независимость от внешних факторов, фосфолипидная полупроницаемая мембрана [31], закодированная в геноме, и определенный клеточный цикл [32], [33].

По его мнению, возможно, LUCA не имел клеточной организации в современном представлении, это была не отдельная клетка, а сеть организмов, не разделенных мембранами, но уже имеющих ряд важных мембранных белков, таких как компоненты АТФ-синтазы и SRP. Для подобной структуры Кунин предложил использовать обозначение LUCA(S) (Last Ancestral Universal Common State — последнее универсальное предковое состояние). LUCA(S) был разнородной популяцией генетических элементов, которые существовавали в сети неорганических ячеек — компартментов. Таким образом, в подобной системе могли одновременно существовать и РНК, и одноцепочечная ДНК, и даже двухцепочечная ДНК. Появление собственной клеточной мембраны и обособление генома произошли независимо у разных организмов, что и привело к образованию разных во многих смыслах доменов жизни.

Генетика LUCA

Существует две теории о геноме LUCA [18].

Первая говорит нам о том, что у эволюционно ранних прокариотов был смешанный геном из ДНК и РНК, которые слаженно работали вместе, а с течением эволюции разные группы организмов оставили что-то одно: либо РНК, либо ДНК.

Второй подход подразумевает, что генетическая информация у LUCA хранилась в РНК-молекулах, а ДНК появлялась у каждой группы независимо. Вторая теория выглядит минималистичней, и к ней склоняется и Уильям Мартин (см. ниже).

Точного подтверждения существования LUCA в виде секвенированного генома или каких-то окаменелостей, не существует, но его генетическая информация содержится в любом ныне живущем существе (рис. 6).

Для решения проблемы определения состава генома LUCA нужно установить:

Общие гены для доменов бактерий и архей.
Какие гены появились из-за горизонтального переноса.
Какие гены прямо наследованы от LUCA[24].

Затем для генов бактерий и архей можно построить филогенетическое дерево. И если мы учтем все возможные потери и приобретения генов за время эволюции, то есть выясним историю каждого отдельно взятого гена, то свободно проследим путь прямиком до LUCA. При этом ограничение размера генома с учетом гипотетического местообитания LUCA, условий среды и т.п. сильно упрощает задачу [24], [34].

И еще немного о LUCA

Заключение

На ранних эволюционных стадиях мы можем видеть разительное отличие общего устройства и функционала некоторых структур в сравнении с современными. РНК-молекулы, выполнявшие все функции организма, и которые сами, по сути, были целыми организмами на первых стадиях, с ходом эволюции кардинально меняют свое назначение. Раньше РНК полностью заменяла и ДНК, и ферменты, поддерживала жизнь всего организма на основе своего огромного функционала. Однако время идет, жизнь склонна усложняться. Появляется клеточная мембрана, а значит, вскоре появятся и органоиды, и вот уже оказывается, что теперь нет времени на долгий катализ рибозимами, и необходимого срока хранения генетической информации РНК предоставить уже не может в связи с интенсивным увеличением генома. И вот организм вынужден образовывать новые структуры, новые органеллы, прибегать к помощи симбионтов. Таким образом, всего через пару миллиардов лет мы можем лицезреть эукариот, в основе эволюции которых лежит одна лишь макромолекула.

С течением времени и развитием технологий изучение ранних стадий эволюции становится проще, но все так же остается одной из сложнейших задач науки. В последние годы все больше старых гипотез доказывается или опровергается на новой научной базе. Столетие назад никто и подумать не мог об орбитальных экспериментах и космических исследованиях, но человечество и это делает возможным. Мы устанавливаем родство на основе генетики, ищем древнейших предков с помощью молекулярной биологии и пытаемся узнать непостижимое — тайну происхождения жизни.

теории клеточной эволюции это объяснения, которые пытаются понять, когда и как появились клетки. Обычно они относятся к эукариотическим клеткам, то есть к тем, у которых ядро отделено клеточной мембраной, где они содержат генетический материал.

В отличие от прокариотических клеток, которые проще и появились около 3700 миллионов лет назад на Земле, эукариотические клетки гораздо сложнее, больше и имеют более свежий вид.

Поскольку эукариотические клетки являются основой большинства живых существ, таких как растения и животные, было разработано несколько теорий об их происхождении и причинах их появления..

1 Развитие первых клеток
2 Типы клеток и их развитие
- 2.1 Археи клетки
- 2.2 Прокариотические клетки (бактерии)
- 2.3 Эукариотические клетки
- 3.1 Доказательства эндосимбиотической теории
Развитие первых клеток

Первые ячейки появились по крайней мере 3700 миллионов лет назад, примерно через 750 миллионов лет после образования Земли. Хотя мы не знаем наверняка, как появились первые клетки, мы достаточно хорошо знаем, как они развивались.

Тем не менее, одна из наиболее принятых теорий о формировании первых ячеек заключается в следующем: учитывая атмосферные условия примитивной Земли, разряд энергии может производить органические молекулы, чтобы спонтанно образоваться.

Это было продемонстрировано экспериментами Стэнли Миллера в 50-х годах, в которых ему удалось создать органические молекулы из водорода, метана и аммиака..

Позже были сформированы первые сложные органические молекулы (также называемые макромолекулами). В какой-то момент эволюции этих молекул первая была способна копировать, используя материалы из окружающей среды. Он родился тогда, впервые в камере.

Эти первые клетки могли сначала размножаться свободно, учитывая отсутствие конкуренции за топливо, которое они использовали. Однако, поскольку их количество значительно увеличилось (именно из-за отсутствия конкуренции), вскоре клетки должны были стать более изощренными, чтобы продолжить размножение. Так начался процесс эволюции.

Типы клеток и их развитие

Клетки археи

Археи (также известные как Arqueas) - это клетки без ядра, очень похожие на бактерии, но с определенными характеристиками, которые заставляют их считаться независимыми организмами..

Как и остальные клетки, они являются микроскопическими организмами. Его клеточная стенка очень устойчива, что позволяет им жить в экстремальных условиях (даже в астероидах в космосе, без защиты какой-либо атмосферы).

Их диета также очень отличается, поскольку они используют неорганические соединения, такие как водород, диоксид углерода или сера вместо кислорода.

Прокариотические клетки (бактерии)

Прокариотические клетки являются простейшими среди трех типов. У них есть только клеточная мембрана, которая окружает внутреннюю часть клетки. Внутри мы можем найти генетический материал, взвешенный внутри цитоплазмы, а также некоторые рибосомы (органеллы, которые генерируют энергию внутри клетки).

Прокариотические клетки, несмотря на то, что они бывают разных типов, классифицируются как бактерии. Чтобы иметь возможность более эффективно адаптироваться к окружающей среде, многие из них имеют другие дополнения, такие как жгутики для свободного перемещения или липкая стенка, капсула, которая позволяет им прилипать к другим организмам..

Эукариотические клетки

Эукариотические клетки являются наиболее сложными и самыми крупными из трех типов. Они отличаются от прокариот и архей, в основном тем, что имеют ядро, в котором хранится ДНК. Кроме того, они имеют несколько типов клеточных органелл, которые позволяют им выполнять различные типы функций.

Эукариотические клетки являются основой всей сложной жизни, которая существует на Земле. Из-за этого ученые изучали их происхождение в течение многих десятилетий и разработали так называемую эндосимбиотическую теорию развития клеток..

Эндосимбиотическая теория эволюции клеток

Эукариотические клетки гораздо более развиты, чем археи или бактерии. Всего несколько десятилетий назад было найдено удовлетворительное объяснение его возникновения: теория эндосимбиотика.

Эта теория основана на сходстве между митохондриями и хлоропластами эукариотических клеток с бактериями, как по форме, так и по функционированию..

Поэтому ученые, защищающие его, предполагают, что в какой-то момент эволюции большая клетка впитала бактерию и начала использовать ее для извлечения энергии, необходимой для выживания и размножения..

Поглощенные бактерии, с другой стороны, получили большую вероятность оставить потомство, а также большую безопасность, находясь внутри более крупной клетки. Поэтому были симбиотические отношения; отсюда и название теории.

После миллионов лет эволюции, митохондрии и хлоропласты, которые раньше были независимыми бактериями, стали специализированными. Поэтому они больше не могут выживать вне клетки.

Доказательства эндосимбиотической теории

Эндосимбиотическая теория не является исключением. Несколько подсказок заставляют нас думать, что именно так появились клетки животных и растений. Вот некоторые из этих доказательств:

Читайте также: