PŮVOD BUŇKY: HLAVNÍ TEORIE (PROKARYOTICKÉ A EUKARYOTICKÉ) - BIOLOGIE - 2025

Původ buněk sahá více než 3,5 miliardy let. Způsob, jakým tyto funkční jednotky vznikly, vzbudil zvědavost vědců několik století.

Původ života jako takový byl doprovázen původem buněk. V primitivním prostředí byly podmínky prostředí velmi odlišné od toho, co pozorujeme dnes. Koncentrace kyslíku byla prakticky nulová a atmosféře dominovalo další složení plynů.

Zdroj: pixabay.com

Různé zkušenosti v laboratoři ukázaly, že za počátečních podmínek prostředí Země je možná polymerizace různých biomolekul charakteristických pro organické systémy, konkrétně: aminokyseliny, cukry atd.

Molekula s katalytickou kapacitou a sama se replikovat (potenciálně RNA) by mohla být uzavřena ve fosfolipidové membráně a tvořit první primitivní prokaryotické buňky, které se vyvinuly podle darwinovských principů.

Podobně je původ eukaryotické buňky obvykle vysvětlen pomocí endosymbiotické teorie. Tato myšlenka podporuje to, že velká bakterie pohltila menší a postupem času vznikly organely, které známe dnes (chloroplasty a mitochondrie).

Teorie buněk

Buňka je termín, který pochází z latinské kořenové celulózy, což znamená duté. To jsou funkční a strukturální jednotky živých věcí. Tento termín byl poprvé použit v 17. století výzkumníkem Robertem Hookem, když zkoumal list korku pod světlem mikroskopu a pozoroval určitý druh buněk.

S tímto objevem se více vědců - zejména příspěvky Theodora Schwanna a Matthiase Schleidena - začalo zajímat o mikroskopickou strukturu živé hmoty. Tímto způsobem se zrodil jeden z nejdůležitějších pilířů biologie: buněčná teorie.

Teorie platí, že: a) všechny organické bytosti jsou tvořeny buňkami; b) buňky jsou životní jednotkou; c) chemické reakce, které udržují život, probíhají v mezích buňky a d) veškerý život pochází z předchozího života.

Tento poslední postulát je shrnut ve slavné větě Rudolfa Virchowa: „omnis celula e celula“ - všechny buňky pocházejí z jiných již existujících buněk. Ale odkud přišla první buňka? Dále popíšeme hlavní teorie, které se snaží vysvětlit původ prvních buněčných struktur.

Evoluce prokaryotické buňky

Původ života je jev úzce spojený s původem buněk. Na Zemi existují dvě buněčné formy života: prokaryoty a eukaryoty.

Obě linie se v zásadě liší svou složitostí a strukturou, přičemž eukaryoty jsou větší a složitější organismy. Tím nechci říci, že prokaryoty jsou jednoduché - jediný prokaryotický organismus je organizovaná a složitá aglomerace různých molekulárních komplexů.

Evoluce obou odvětví života je jednou z nejzajímavějších otázek ve světě biologie.

Chronologicky se život odhaduje na 3,5 až 3,8 miliardy let. To se objevilo přibližně 750 milionů let po vytvoření Země.

Vývoj forem raného života: Millerovy experimenty

Na počátku dvacátých let minulého století byla myšlenka, že organické makromolekuly by mohly spontánně polymerovat v podmínkách primitivní atmosféry - s nízkými koncentracemi kyslíku a vysokými koncentracemi CO ₂ a N ₂, stejně jako s řadou plynů, jako je například H ₂, H ₂ S a CO.

Předpokládá se, že hypotetická primitivní atmosféra poskytla redukující prostředí, které spolu se zdrojem energie (jako je sluneční světlo nebo elektrické výboje) vytvořilo podmínky vedoucí k polymeraci organických molekul.

Tato teorie byla experimentálně potvrzena v roce 1950 výzkumníkem Stanleym Millerem během jeho postgraduálního studia.

Potřeba molekuly se samoreplikujícími a katalytickými vlastnostmi: svět RNA

Po určení podmínek nezbytných pro vytvoření molekul, které najdeme u všech živých bytostí, je nutné navrhnout primitivní molekulu se schopností ukládat informace a replikovat se - současné buňky ukládají genetické informace v jazyce čtyř nukleotidy v molekule DNA.

K dnešnímu dni je nejlepším kandidátem na tuto molekulu RNA. Teprve v roce 1980 objevili vědci Sid Altman a Tom Cech katalytické schopnosti této nukleové kyseliny, včetně polymerizace nukleotidů - kritický krok ve vývoji života a buněk.

Z těchto důvodů se věří, že život začal používat RNA jako genetický materiál, a nikoli DNA, jak to dělá velká většina současných forem.

Omezení životních bariér: fosfolipidy

Jakmile byly získány makromolekuly a molekula schopná ukládat informace a replikovat se, je nezbytná existence biologické membrány pro stanovení hranic mezi živým a extracelulárním prostředím. Evolučně tento krok označil původ prvních buněk.

Předpokládá se, že první buňka vznikla z molekuly RNA, která byla uzavřena membránou tvořenou fosfolipidy. Posledně jmenované jsou amfipatické molekuly, což znamená, že jedna část je hydrofilní (rozpustná ve vodě) a druhá část je hydrofobní (nerozpustná ve vodě).

Když jsou fosfolipidy rozpuštěny ve vodě, mají schopnost spontánně se agregovat a vytvářet lipidovou dvojvrstvu. Polární hlavy jsou seskupeny čelem k vodnému prostředí a hydrofobním ocasům uvnitř, ve vzájemném kontaktu.

Tato bariéra je termodynamicky stabilní a vytváří kompartment, který umožňuje oddělení buňky od extracelulárního prostředí.

Postupem času RNA uzavřená v lipidové membráně pokračovala ve své evoluční cestě podle darwinovských mechanismů - dokud nepředstavovala komplexní procesy, jako je syntéza proteinů.

Vývoj metabolismu

Jakmile se tyto primitivní buňky vytvořily, začal se vývoj metabolických drah, které dnes známe. Nejpravděpodobnějším scénářem pro původ prvních buněk je oceán, takže první buňky byly schopny získat jídlo a energii přímo z prostředí.

Když bylo jídlo vzácné, musely se objevit určité buněčné varianty s alternativními způsoby získávání potravy a vytvářením energie, které jim umožňovaly pokračovat v replikaci.

Tvorba a kontrola buněčného metabolismu jsou nezbytné pro jeho kontinuitu. Ve skutečnosti jsou hlavní metabolické cesty mezi současnými organismy široce zachovány. Například bakterie i savce provádějí glykolýzu.

Bylo navrženo, že výroba energie se vyvinula ve třech fázích, počínaje glykolýzou, následovanou fotosyntézou a konče oxidačním metabolismem.

Protože v primitivním prostředí chyběl kyslík, je pravděpodobné, že časné metabolické reakce bez něj proběhly.

Evoluce eukaryotické buňky

Buňky byly jedinečně prokaryotické až asi před 1,5 miliardou let. V této fázi se objevily první buňky se skutečným jádrem a samotnými organely. Nejvýznamnější teorií v literatuře, která vysvětluje vývoj organel, je endosymbiotická teorie (endo znamená interní).

Organismy nejsou izolovány ve svém prostředí. Biologická společenství představují rozmanité interakce, antagonistické i synergické. Deštníkový termín používaný pro různé interakce je symbióza - dříve používaná pouze pro vzájemné vztahy mezi dvěma druhy.

Interakce mezi organismy mají důležité evoluční důsledky a nejdramatičtějším příkladem je endosymbiotická teorie, kterou původně navrhl americký vědec Lynn Margulis v 80. letech.

Postuláty endosymbiotické teorie

Podle této teorie byly některé eukaryotické organely - jako jsou chloroplasty a mitochondrie - původně volně žijícími prokaryotickými organismy. V určitém okamžiku evoluce prokaryota byla spolknuta větší, ale nebyla trávena. Místo toho přežil a byl uvězněn ve větším organismu.

Kromě přežití byly synchronizovány i doby reprodukce mezi těmito dvěma organismy, které dokázaly přejít na další generace.

V případě chloroplastů byl pohlcený organismus vystaven všem enzymatickým mechanismům k provádění fotosyntézy a dodával většímu organismu produkty těchto chemických reakcí: monosacharidy. V případě mitochondrie se předpokládá, že pohlceným prokaryotem může být a-proteobakterie předků.

Potenciální identita většího hostitelského organismu je však v literatuře otevřenou otázkou.

Pohlcený prokaryotický organismus ztratil svou buněčnou zeď a během evoluce podstoupil příslušné modifikace, které vznikly moderními organely. Toto je v podstatě endosymbiotická teorie.

Důkazy pro endosymbiotickou teorii

V současné době existuje mnoho faktů, které podporují teorii endosymbiózy, jmenovitě: a) velikost současných mitochondrií a chloroplastů je podobná jako u prokaryot; b) tyto organely mají svůj vlastní genetický materiál a syntetizují část proteinů, ačkoli nejsou zcela nezávislé na jádru a c) mezi oběma biologickými entitami existuje více biochemických podobností.

Výhody eukaryotie

Evoluce eukaryotických buněk je spojena s řadou výhod oproti prokaryotům. Zvýšení velikosti, složitosti a kompartmentalizace umožnilo rychlý vývoj nových biochemických funkcí.

Po příchodu eukaryotické buňky došlo k mnohobuněčnosti. Pokud si buňka „chce“ užít výhod větší velikosti, nemůže jednoduše růst, protože buněčný povrch musí být velký ve vztahu k jeho objemu.

Organismy s více než jednou buňkou tedy dokázaly zvětšit svou velikost a distribuovat úkoly mezi více buněk, které je tvoří.

Reference

1. Altstein, AD (2015). Hypotéza progenu: nukleoproteinový svět a jak začal život. Biology Direct, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). Navrhovaný model prebiotického vývoje: použití chaosu. Sborník Národní akademie věd, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologie: Život na Zemi. Pearsonovo vzdělávání.
4. Campbell, AN, a Reece, JB (2005). Biologie. Editorial Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). Biologie 1: Konstruktivistický přístup. Pearsonovo vzdělávání.
6. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Víceúrovňový výběr v modelech prebiotické evoluce: kompartmenty a prostorová samoorganizace. Původy života a evoluce biosféry, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). Původ a časný vývoj života: prebiotická chemie, svět před RNA a čas. Cell, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K., & Alfonzo, J. (2016). Od prebiotik k probiotikům: Vývoj a funkce modifikací tRNA. Život, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF a Szostak, JW (2010). Původ buněčného života. Perspektivy Cold Spring Harbor v biologii, a002212.
10. Silvestre, DA a Fontanari, JF (2008). Modely balíčků a informační krize prebiotického vývoje. Journal of teoretická biologie, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P., & Mavelli, F. (2015). Protocells modely v původu života a syntetická biologie. Life, 5 (4), 1700-1702.