OORSPRONG VAN DE CEL: BELANGRIJKSTE THEORIEËN (PROKARYOOT EN EUKARYOOT) - BIOLOGIE - 2026

De oorsprong van de cel dateert van meer dan 3,5 miljard jaar oud. De manier waarop deze functionele eenheden zijn ontstaan, heeft eeuwenlang de nieuwsgierigheid van wetenschappers gewekt.

Het ontstaan ​​van leven op zich ging gepaard met het ontstaan ​​van cellen. In een primitieve omgeving waren de omgevingsomstandigheden heel anders dan wat we tegenwoordig waarnemen. De zuurstofconcentratie was praktisch nul en de atmosfeer werd gedomineerd door een andere samenstelling van gassen.

Bron: pixabay.com

Verschillende ervaringen in het laboratorium hebben aangetoond dat onder de initiële omgevingscondities van de aarde de polymerisatie mogelijk is van verschillende biomoleculen die kenmerkend zijn voor organische systemen, namelijk: aminozuren, suikers, enz.

Een molecuul met katalytische capaciteit en om zichzelf te repliceren (mogelijk een RNA) zou kunnen worden ingesloten in een fosfolipidenmembraan, waardoor de eerste primitieve prokaryotische cellen worden gevormd, die evolueerden volgens darwinistische principes.

Evenzo wordt de oorsprong van de eukaryote cel meestal verklaard met behulp van de endosymbiotische theorie. Dit idee ondersteunt dat een grote bacterie een kleinere heeft overspoeld en met het verstrijken van de tijd de organellen zijn ontstaan ​​die we vandaag kennen (chloroplasten en mitochondriën).

De celtheorie

Cel is een term die afkomstig is van het Latijnse wortelcellula, wat hol betekent. Dit zijn de functionele en structurele eenheden van levende wezens. De term werd voor het eerst gebruikt in de 17e eeuw door onderzoeker Robert Hooke, toen hij onder het licht van een microscoop een kurkplaat bekeek en een soort cel observeerde.

Met deze ontdekking raakten meer wetenschappers - met name de bijdragen van Theodor Schwann en Matthias Schleiden - geïnteresseerd in de microscopische structuur van levende materie. Op deze manier werd een van de belangrijkste pijlers van de biologie geboren: celtheorie.

De theorie stelt dat: (a) alle organische wezens uit cellen bestaan; (b) cellen zijn de eenheid van leven; (c) de chemische reacties die het leven in stand houden, vinden plaats binnen de grenzen van de cel en (d) al het leven komt voort uit reeds bestaand leven.

Dit laatste postulaat wordt samengevat in de beroemde zin van Rudolf Virchow: "omnis cellula e cellula" - alle cellen zijn afgeleid van andere reeds bestaande cellen. Maar waar kwam de eerste cel vandaan? Vervolgens zullen we de belangrijkste theorieën beschrijven die de oorsprong van de eerste cellulaire structuren willen verklaren.

Evolutie van de prokaryotische cel

Het ontstaan ​​van leven is een fenomeen dat nauw verband houdt met het ontstaan ​​van cellen. Op aarde zijn er twee cellulaire levensvormen: prokaryoten en eukaryoten.

Beide lijnen verschillen fundamenteel in termen van hun complexiteit en structuur, waarbij eukaryoten grotere en complexere organismen zijn. Dit wil niet zeggen dat prokaryoten eenvoudig zijn - een enkel prokaryotisch organisme is een georganiseerde en ingewikkelde agglomeratie van verschillende moleculaire complexen.

De evolutie van beide levensgebieden is een van de meest opwindende vragen in de wereld van de biologie.

Chronologisch wordt geschat dat het leven 3,5 tot 3,8 miljard jaar oud is. Dit verscheen ongeveer 750 miljoen jaar na de vorming van de aarde.

Evolutie van vroege levensvormen: Miller's experimenten

In de vroege jaren 1920 ontstond het idee dat organische macromoleculen spontaan konden polymeriseren onder de omgevingscondities van een primitieve atmosfeer - met lage concentraties zuurstof en hoge concentraties CO ₂ en N ₂ , evenals een reeks van van gassen zoals H ₂ , H ₂ S en CO.

Aangenomen wordt dat de hypothetische primitieve atmosfeer een reducerende omgeving vormde die samen met een energiebron (zoals zonlicht of elektrische ontladingen) de condities creëerde die bevorderlijk waren voor de polymerisatie van organische moleculen.

Deze theorie werd in 1950 experimenteel bevestigd door onderzoeker Stanley Miller tijdens zijn afstudeeronderzoek.

De behoefte aan een molecuul met zelfreplicerende en katalytische eigenschappen: de wereld van RNA

Na het specificeren van de noodzakelijke voorwaarden voor de vorming van de moleculen die we in alle levende wezens aantreffen, is het noodzakelijk om een ​​primitief molecuul voor te stellen met het vermogen om informatie op te slaan en zichzelf te repliceren - huidige cellen slaan genetische informatie op onder een taal van vier nucleotiden in het DNA-molecuul.

Tot op heden is RNA de beste kandidaat voor dit molecuul. Pas in 1980 ontdekten de onderzoekers Sid Altman en Tom Cech de katalytische mogelijkheden van dit nucleïnezuur, inclusief de polymerisatie van nucleotiden - een cruciale stap in de evolutie van leven en cellen.

Om deze redenen wordt aangenomen dat het leven RNA als genetisch materiaal begon te gebruiken, en niet DNA zoals de overgrote meerderheid van de huidige vormen.

De barrières van het leven beperken: fosfolipiden

Zodra de macromoleculen en het molecuul dat informatie kan opslaan en zichzelf kan repliceren, zijn verkregen, is het bestaan ​​van een biologisch membraan noodzakelijk om de grenzen tussen de levende en de extracellulaire omgeving te bepalen. Evolutionair markeerde deze stap de oorsprong van de eerste cellen.

Aangenomen wordt dat de eerste cel is ontstaan ​​uit een RNA-molecuul dat werd omsloten door een membraan van fosfolipiden. De laatste zijn amfipatische moleculen, wat betekent dat het ene deel hydrofiel is (oplosbaar in water) en het andere deel hydrofoob (niet oplosbaar in water).

Wanneer fosfolipiden worden opgelost in water, kunnen ze spontaan aggregeren en een lipide dubbellaag vormen. De poolkoppen zijn gegroepeerd naar de waterige omgeving gericht en de hydrofobe staarten binnenin, in contact met elkaar.

Deze barrière is thermodynamisch stabiel en creëert een compartiment waardoor de cel kan worden gescheiden van de extracellulaire omgeving.

Met het verstrijken van de tijd vervolgde het RNA dat in het lipidemembraan is ingesloten, zijn evolutionaire pad volgens darwinistische mechanismen - totdat het complexe processen presenteerde zoals eiwitsynthese.

Evolutie van het metabolisme

Toen deze primitieve cellen eenmaal waren gevormd, begon de ontwikkeling van de metabolische routes die we vandaag kennen. Het meest plausibele scenario voor het ontstaan ​​van de eerste cellen is de oceaan, dus de eerste cellen konden direct voedsel en energie uit de omgeving halen.

Toen voedsel schaars werd, moesten bepaalde celvarianten verschijnen met alternatieve methoden om voedsel te verkrijgen en energie op te wekken, waardoor ze hun replicatie konden voortzetten.

Het genereren en beheersen van het celmetabolisme is essentieel voor de continuïteit ervan. In feite zijn de belangrijkste metabolische routes onder de huidige organismen op grote schaal geconserveerd. Zowel een bacterie als een zoogdier voeren bijvoorbeeld glycolyse uit.

Er is voorgesteld dat de energieopwekking evolueerde in drie fasen, beginnend met glycolyse, gevolgd door fotosynthese en eindigend met oxidatief metabolisme.

Omdat de primitieve omgeving zuurstof ontbrak, is het aannemelijk dat vroege metabolische reacties het zonder zuurstof deden.

Evolutie van de eukaryote cel

Cellen waren tot ongeveer 1,5 miljard jaar geleden uniek prokaryoot. In dit stadium verschenen de eerste cellen met een echte kern en organellen zelf. De meest prominente theorie in de literatuur die de evolutie van organellen verklaart, is de endosymbiotische theorie (endo betekent intern).

Organismen zijn niet geïsoleerd in hun omgeving. Biologische gemeenschappen vertonen meerdere interacties, zowel antagonistisch als synergetisch. Een overkoepelende term die wordt gebruikt voor verschillende interacties is symbiose - voorheen alleen gebruikt voor mutualistische relaties tussen twee soorten.

Interacties tussen organismen hebben belangrijke evolutionaire gevolgen, en het meest dramatische voorbeeld hiervan is de endosymbiotische theorie, die aanvankelijk in de jaren tachtig door de Amerikaanse onderzoeker Lynn Margulis werd voorgesteld.

Postulaten van endosymbiotische theorie

Volgens deze theorie waren sommige eukaryote organellen - zoals chloroplasten en mitochondriën - aanvankelijk vrijlevende prokaryote organismen. Op een bepaald punt in de evolutie werd een prokaryoot ingeslikt door een grotere, maar werd niet verteerd. In plaats daarvan overleefde hij en zat hij vast in het grotere organisme.

Naast de overleving werden de reproductietijden tussen de twee organismen gesynchroniseerd, waardoor ze konden worden doorgegeven aan opeenvolgende generaties.

In het geval van chloroplasten vertoonde het verzwolgen organisme alle enzymatische machinerie om fotosynthese uit te voeren, waardoor het grotere organisme de producten van deze chemische reacties leverde: monosacchariden. In het geval van mitochondriën wordt gepostuleerd dat de verzwolgen prokaryoot een voorouderlijke α-proteobacterie zou kunnen zijn.

De potentiële identiteit van het grotere gastheerorganisme is echter een open vraag in de literatuur.

Het overspoelde prokaryotische organisme verloor zijn celwand en onderging gedurende de hele evolutie de relevante wijzigingen die de oorsprong van moderne organellen waren. Dit is in wezen de endosymbiotische theorie.

Bewijs voor de endosymbiotische theorie

Momenteel zijn er meerdere feiten die de theorie van endosymbiose ondersteunen, namelijk: (a) de grootte van de huidige mitochondriën en chloroplasten is vergelijkbaar met die van prokaryoten; (b) deze organellen hebben hun eigen genetisch materiaal en synthetiseren een deel van de eiwitten, hoewel ze niet volledig onafhankelijk zijn van de kern en (c) er zijn meerdere biochemische overeenkomsten tussen beide biologische entiteiten.

Voordelen van eukaryoot zijn

De evolutie van eukaryote cellen gaat gepaard met een reeks voordelen ten opzichte van prokaryoten. De toename in omvang, complexiteit en compartimentering maakte de snelle evolutie van nieuwe biochemische functies mogelijk.

Na de komst van de eukaryote cel kwam multicellulariteit. Als een cel "wil" genieten van de voordelen van een grotere afmeting, kan hij niet zomaar groeien, aangezien het celoppervlak groot moet zijn in verhouding tot zijn volume.

Organismen met meer dan één cel konden dus hun grootte vergroten en de taken verdelen over de meerdere cellen waaruit ze bestaan.

Referenties

1. Altstein, AD (2015). De progene-hypothese: de nucleoproteïnewereld en hoe het leven begon. Biology Direct, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). Voorgesteld model voor prebiotische evolutie: het gebruik van chaos. Proceedings of the National Academy of Sciences, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologie: leven op aarde. Pearson onderwijs.
4. Campbell, AN, en Reece, JB (2005). Biologie. Redactioneel Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). Biologie 1: een constructivistische benadering. Pearson Education.
6. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Multilevel selectie in modellen van prebiotische evolutie: compartimenten en ruimtelijke zelforganisatie. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). De oorsprong en vroege evolutie van het leven: prebiotische chemie, de pre-RNA-wereld en tijd. Cell, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K., en Alfonzo, J. (2016). Van prebiotica tot probiotica: de evolutie en functies van tRNA-modificaties. Leven, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF en Szostak, JW (2010). De oorsprong van het cellulaire leven. Cold Spring Harbor-perspectieven in de biologie, a002212.
10. Silvestre, DA en Fontanari, JF (2008). Pakketmodellen en de informatiecrisis van prebiotische evolutie. Journal of theoretische biologie, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P., en Mavelli, F. (2015). Protocells-modellen in de oorsprong van het leven en synthetische biologie. Life, 5 (4), 1700–1702.