URSPRUNG DER ZELLE: HAUPTTHEORIEN (PROKARYOTISCH UND EUKARYOTISCH) - BIOLOGIE - 2024

Der Ursprung der Zelle liegt mehr als 3,5 Milliarden Jahre alt. Die Entstehung dieser Funktionseinheiten hat seit mehreren Jahrhunderten die Neugier der Wissenschaftler geweckt.

Der Ursprung des Lebens an sich wurde vom Ursprung der Zellen begleitet. In einer primitiven Umgebung waren die Umgebungsbedingungen sehr unterschiedlich zu dem, was wir heute beobachten. Die Sauerstoffkonzentration war praktisch Null und die Atmosphäre wurde von einer anderen Zusammensetzung von Gasen dominiert.

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Verschiedene Erfahrungen im Labor haben gezeigt, dass unter den anfänglichen Umweltbedingungen der Erde die Polymerisation verschiedener Biomoleküle möglich ist, die für organische Systeme charakteristisch sind, nämlich: Aminosäuren, Zucker usw.

Ein Molekül mit katalytischer Kapazität und zur Replikation (möglicherweise eine RNA) könnte in einer Phospholipidmembran eingeschlossen sein und die ersten primitiven prokaryotischen Zellen bilden, die sich nach darwinistischen Prinzipien entwickelten.

Ebenso wird der Ursprung der eukaryotischen Zelle üblicherweise mit der endosymbiotischen Theorie erklärt. Diese Idee stützt, dass ein großes Bakterium ein kleineres verschlang und im Laufe der Zeit die Organellen hervorbrachte, die wir heute kennen (Chloroplasten und Mitochondrien).

Die Zelltheorie

Zelle ist ein Begriff, der von der lateinischen Wurzelzelle stammt, was hohl bedeutet. Dies sind die funktionalen und strukturellen Einheiten von Lebewesen. Der Begriff wurde erstmals im 17. Jahrhundert vom Forscher Robert Hooke verwendet, als er eine Korkplatte unter dem Licht eines Mikroskops untersuchte und eine Art Zellen beobachtete.

Mit dieser Entdeckung interessierten sich mehr Wissenschaftler - insbesondere die Beiträge von Theodor Schwann und Matthias Schleiden - für die mikroskopische Struktur lebender Materie. Auf diese Weise wurde eine der wichtigsten Säulen der Biologie geboren: die Zelltheorie.

Die Theorie besagt, dass: (a) alle organischen Wesen aus Zellen bestehen; (b) Zellen sind die Einheit des Lebens; (c) die chemischen Reaktionen, die das Leben erhalten, treten innerhalb der Grenzen der Zelle auf und (d) alles Leben stammt aus bereits existierendem Leben.

Dieses letzte Postulat ist in der berühmten Formulierung von Rudolf Virchow zusammengefasst: "omnis cellula e cellula" - alle Zellen stammen von anderen bereits vorhandenen Zellen. Aber woher kam die erste Zelle? Als nächstes werden wir die Haupttheorien beschreiben, die versuchen, den Ursprung der ersten zellulären Strukturen zu erklären.

Evolution der prokaryotischen Zelle

Der Ursprung des Lebens ist ein Phänomen, das eng mit dem Ursprung der Zellen verbunden ist. Auf der Erde gibt es zwei zelluläre Lebensformen: Prokaryoten und Eukaryoten.

Beide Linien unterscheiden sich grundsätzlich in ihrer Komplexität und Struktur, wobei Eukaryoten größere und komplexere Organismen sind. Dies bedeutet nicht, dass Prokaryoten einfach sind - ein einzelner prokaryotischer Organismus ist eine organisierte und komplizierte Agglomeration verschiedener molekularer Komplexe.

Die Entwicklung beider Lebensbereiche ist eine der spannendsten Fragen in der Welt der Biologie.

Chronologisch wird das Leben auf 3,5 bis 3,8 Milliarden Jahre geschätzt. Dies erschien ungefähr 750 Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde.

Evolution früher Lebensformen: Millers Experimente

In den frühen 1920er Jahren kam die Idee auf, dass organische Makromoleküle unter den Umgebungsbedingungen einer primitiven Atmosphäre spontan polymerisieren könnten - mit niedrigen Sauerstoffkonzentrationen und hohen Konzentrationen an CO ₂ und N ₂ sowie einer Reihe von von Gasen wie H ₂ , H ₂ S und CO.

Es wird angenommen, dass die hypothetische primitive Atmosphäre eine reduzierende Umgebung bereitstellte, die zusammen mit einer Energiequelle (wie Sonnenlicht oder elektrischen Entladungen) die Bedingungen schuf, die der Polymerisation organischer Moleküle förderlich sind.

Diese Theorie wurde 1950 vom Forscher Stanley Miller während seines Studiums experimentell bestätigt.

Die Notwendigkeit eines Moleküls mit selbstreplizierenden und katalytischen Eigenschaften: die Welt der RNA

Nachdem die notwendigen Bedingungen für die Bildung der Moleküle festgelegt wurden, die wir in allen Lebewesen finden, ist es notwendig, ein primitives Molekül vorzuschlagen, das Informationen speichern und sich selbst replizieren kann - aktuelle Zellen speichern genetische Informationen in einer Sprache von vier Nukleotide im DNA-Molekül.

Bisher ist RNA der beste Kandidat für dieses Molekül. Erst 1980 entdeckten die Forscher Sid Altman und Tom Cech die katalytischen Fähigkeiten dieser Nukleinsäure, einschließlich der Polymerisation von Nukleotiden - ein entscheidender Schritt in der Evolution von Leben und Zellen.

Aus diesen Gründen wird angenommen, dass das Leben begann, RNA als genetisches Material zu verwenden, und nicht DNA wie die überwiegende Mehrheit der gegenwärtigen Formen.

Begrenzung der Lebensbarrieren: Phospholipide

Sobald die Makromoleküle und das Molekül erhalten wurden, die in der Lage sind, Informationen zu speichern und sich selbst zu replizieren, ist das Vorhandensein einer biologischen Membran erforderlich, um die Grenzen zwischen der lebenden und der extrazellulären Umgebung zu bestimmen. Evolutionär markiert dieser Schritt den Ursprung der ersten Zellen.

Es wird angenommen, dass die erste Zelle aus einem RNA-Molekül entstanden ist, das von einer Membran aus Phospholipiden umschlossen war. Letztere sind amphipathische Moleküle, was bedeutet, dass ein Teil hydrophil (wasserlöslich) und der andere Teil hydrophob (nicht wasserlöslich) ist.

Wenn Phospholipide in Wasser gelöst werden, können sie sich spontan aggregieren und eine Lipiddoppelschicht bilden. Die Polköpfe sind gegenüber der wässrigen Umgebung und den hydrophoben Schwänzen im Inneren in Kontakt miteinander gruppiert.

Diese Barriere ist thermodynamisch stabil und schafft ein Kompartiment, in dem die Zelle von der extrazellulären Umgebung getrennt werden kann.

Im Laufe der Zeit setzte die in der Lipidmembran eingeschlossene RNA ihren Evolutionsweg nach darwinistischen Mechanismen fort - bis sie komplexe Prozesse wie die Proteinsynthese präsentierte.

Evolution des Stoffwechsels

Nachdem diese primitiven Zellen gebildet worden waren, begann die Entwicklung der Stoffwechselwege, die wir heute kennen. Das plausibelste Szenario für die Entstehung der ersten Zellen ist der Ozean, sodass die ersten Zellen Nahrung und Energie direkt aus der Umwelt beziehen konnten.

Wenn Nahrung knapp wurde, mussten bestimmte Zellvarianten mit alternativen Methoden zur Gewinnung von Nahrung und zur Erzeugung von Energie auftreten, die es ihnen ermöglichten, ihre Replikation fortzusetzen.

Die Erzeugung und Kontrolle des Zellstoffwechsels ist für seine Kontinuität wesentlich. Tatsächlich sind die Hauptstoffwechselwege unter den gegenwärtigen Organismen weitgehend erhalten. Beispielsweise führen sowohl ein Bakterium als auch ein Säugetier eine Glykolyse durch.

Es wurde vorgeschlagen, dass sich die Energieerzeugung in drei Stufen entwickelt, beginnend mit der Glykolyse, gefolgt von der Photosynthese und endend mit dem oxidativen Metabolismus.

Da der primitiven Umgebung Sauerstoff fehlte, ist es plausibel, dass frühe Stoffwechselreaktionen darauf verzichteten.

Entwicklung der eukaryotischen Zelle

Zellen waren bis vor etwa 1,5 Milliarden Jahren einzigartig prokaryotisch. Zu diesem Zeitpunkt erschienen die ersten Zellen mit einem echten Kern und Organellen. Die bekannteste Theorie in der Literatur, die die Entwicklung von Organellen erklärt, ist die endosymbiotische Theorie (endo bedeutet intern).

Organismen sind in ihrer Umgebung nicht isoliert. Biologische Gemeinschaften weisen mehrere Wechselwirkungen auf, sowohl antagonistisch als auch synergistisch. Ein Überbegriff für verschiedene Interaktionen ist Symbiose - früher nur für wechselseitige Beziehungen zwischen zwei Arten.

Wechselwirkungen zwischen Organismen haben wichtige evolutionäre Konsequenzen, und das dramatischste Beispiel hierfür ist die endosymbiotische Theorie, die die amerikanische Forscherin Lynn Margulis erstmals in den 1980er Jahren vorschlug.

Postulate der endosymbiotischen Theorie

Nach dieser Theorie waren einige eukaryotische Organellen - wie Chloroplasten und Mitochondrien - ursprünglich frei lebende prokaryotische Organismen. Irgendwann in der Evolution wurde ein Prokaryot von einem größeren verschluckt, aber nicht verdaut. Stattdessen überlebte er und war im größeren Organismus gefangen.

Zusätzlich zum Überleben wurden die Reproduktionszeiten zwischen den beiden Organismen synchronisiert, so dass es gelang, auf aufeinanderfolgende Generationen überzugehen.

Im Fall von Chloroplasten zeigte der verschlungene Organismus alle enzymatischen Mechanismen zur Durchführung der Photosynthese und versorgte den größeren Organismus mit den Produkten dieser chemischen Reaktionen: Monosaccharide. Im Fall von Mitochondrien wird postuliert, dass der verschlungene Prokaryot eine α-Proteobakterie der Vorfahren sein könnte.

Die mögliche Identität des größeren Wirtsorganismus ist jedoch eine offene Frage in der Literatur.

Der verschlungene prokaryotische Organismus verlor seine Zellwand und erfuhr im Laufe der Evolution die entsprechenden Modifikationen, die moderne Organellen hervorbrachten. Dies ist im Wesentlichen die endosymbiotische Theorie.

Beweise für die endosymbiotische Theorie

Gegenwärtig gibt es mehrere Tatsachen, die die Theorie der Endosymbiose stützen, nämlich: (a) die Größe der gegenwärtigen Mitochondrien und Chloroplasten ist ähnlich der von Prokaryoten; (b) diese Organellen haben ihr eigenes genetisches Material und synthetisieren einen Teil der Proteine, obwohl sie nicht vollständig unabhängig vom Kern sind, und (c) es gibt mehrere biochemische Ähnlichkeiten zwischen beiden biologischen Einheiten.

Vorteile eukaryotisch zu sein

Die Entwicklung eukaryotischer Zellen ist gegenüber Prokaryoten mit einer Reihe von Vorteilen verbunden. Die Zunahme von Größe, Komplexität und Kompartimentierung ermöglichte die schnelle Entwicklung neuer biochemischer Funktionen.

Nach der Ankunft der eukaryotischen Zelle kam die Mehrzelligkeit. Wenn eine Zelle die Vorteile einer größeren Größe "genießen" möchte, kann sie nicht einfach wachsen, da die Zelloberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen groß sein muss.

So konnten Organismen mit mehr als einer Zelle ihre Größe erhöhen und die Aufgaben auf die mehreren Zellen verteilen, aus denen sie bestehen.

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