أصل الخلية: النظريات الرئيسية (بدائية النواة وحقيقية النواة) - مادة الاحياء - 2025

يعود أصل الخلية إلى أكثر من 3.5 مليار سنة. أثارت الطريقة التي نشأت بها هذه الوحدات الوظيفية فضول العلماء لعدة قرون.

كان أصل الحياة في حد ذاته مصحوبًا بأصل الخلايا. في بيئة بدائية ، كانت الظروف البيئية مختلفة تمامًا عما نلاحظه اليوم. كان تركيز الأكسجين عمليا صفرا ، وسيطر على الغلاف الجوي تركيبة أخرى من الغازات.

المصدر: pixabay.com

أظهرت التجارب المختلفة في المختبر أنه في ظل الظروف البيئية الأولية للأرض ، يمكن بلمرة الجزيئات الحيوية المختلفة المميزة للأنظمة العضوية ، وهي: الأحماض الأمينية والسكريات وما إلى ذلك.

يمكن أن يكون الجزيء ذو القدرة التحفيزية وتكرار نفسه (على الأرجح ، RNA) محاطًا بغشاء فسفوليبيد ، مكونًا أول خلايا بدائية النواة بدائية ، والتي تطورت وفقًا للمبادئ الداروينية.

وبالمثل ، عادة ما يتم شرح أصل الخلية حقيقية النواة باستخدام نظرية التكافل الداخلي. تدعم هذه الفكرة أن جرثومة كبيرة ابتلعت واحدة أصغر وبمرور الوقت نشأت العضيات التي نعرفها اليوم (البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا).

نظرية الخلية

الخلية مصطلح مشتق من جذر الجذر اللاتيني ، وهو ما يعني أجوف. هذه هي الوحدات الوظيفية والهيكلية للكائنات الحية. تم استخدام المصطلح لأول مرة في القرن السابع عشر من قبل الباحث روبرت هوك ، عندما كان يفحص ورقة من الفلين تحت ضوء المجهر ولاحظ نوعًا من الخلايا.

مع هذا الاكتشاف ، أصبح المزيد من العلماء - ولا سيما مساهمات تيودور شوان وماتياس شلايدن - مهتمين بالتركيب المجهري للمادة الحية. بهذه الطريقة ، ولدت إحدى أهم ركائز علم الأحياء: نظرية الخلية.

تنص النظرية على أن: (أ) جميع الكائنات العضوية تتكون من خلايا ؛ (ب) الخلايا هي وحدة الحياة. (ج) تحدث التفاعلات الكيميائية التي تحافظ على الحياة ضمن حدود الخلية و (د) تأتي الحياة كلها من حياة سابقة.

تم تلخيص هذا الافتراض الأخير في العبارة الشهيرة لرودولف فيرشو: "omnis cellula e cellula" - جميع الخلايا مشتقة من خلايا أخرى موجودة بالفعل. لكن من أين أتت الخلية الأولى؟ بعد ذلك سنصف النظريات الرئيسية التي تسعى إلى شرح أصل الهياكل الخلوية الأولى.

تطور الخلية بدائية النواة

أصل الحياة ظاهرة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بأصل الخلايا. على الأرض ، هناك نوعان من أشكال الحياة الخلوية: بدائيات النوى وحقيقيات النوى.

يختلف كلا السلالتين أساسًا من حيث تعقيدهما وبنيتهما ، حيث تكون حقيقيات النوى كائنات أكبر وأكثر تعقيدًا. هذا لا يعني أن بدائيات النوى بسيطة - فالكائن بدائيات النوى الفردي هو تكتل منظم ومعقد من المجمعات الجزيئية المختلفة.

يعد تطور فرعي الحياة أحد أكثر الأسئلة إثارة في عالم علم الأحياء.

حسب التسلسل الزمني ، تقدر الحياة بحوالي 3.5 إلى 3.8 مليار سنة. ظهر هذا بعد حوالي 750 مليون سنة من تكوين الأرض.

تطور أشكال الحياة المبكرة: تجارب ميلر

في 1920s في وقت مبكر فكرة أن الجزيئات العضوية يمكن أن تتبلمر عفويا في ظل الظروف البيئية للأجواء البدائية - مع تركيز الأكسجين منخفضة وتركيزات عالية من CO ₂ و N ₂ ، فضلا عن سلسلة من من الغازات مثل H ₂ و H ₂ S و CO.

من المفترض أن الغلاف الجوي البدائي الافتراضي يوفر بيئة مختزلة ، والتي مع مصدر الطاقة (مثل ضوء الشمس أو التصريفات الكهربائية) ، خلقت الظروف المواتية لبلمرة الجزيئات العضوية.

تم تأكيد هذه النظرية تجريبياً في عام 1950 من قبل الباحث ستانلي ميلر خلال دراساته العليا.

الحاجة إلى جزيء له خصائص تحفيزية ذاتية التكرار: عالم الحمض النووي الريبي

بعد تحديد الشروط اللازمة لتكوين الجزيئات التي نجدها في جميع الكائنات الحية ، من الضروري اقتراح جزيء بدائي لديه القدرة على تخزين المعلومات وتكرار نفسها - تخزن الخلايا الحالية المعلومات الجينية تحت لغة أربعة النيوكليوتيدات في جزيء الحمض النووي.

حتى الآن ، فإن أفضل مرشح لهذا الجزيء هو RNA. لم يكتشف الباحثان سيد ألتمان وتوم تشيك حتى عام 1980 القدرات التحفيزية لهذا الحمض النووي ، بما في ذلك بلمرة النيوكليوتيدات - وهي خطوة حاسمة في تطور الحياة والخلايا.

لهذه الأسباب ، يُعتقد أن الحياة بدأت باستخدام الحمض النووي الريبي كمادة وراثية ، وليس الحمض النووي كما تفعل الغالبية العظمى من الأشكال الحالية.

الحد من عوائق الحياة: الدهون الفوسفورية

بمجرد الحصول على الجزيئات الكبيرة والجزيئات القادرة على تخزين المعلومات وتكرار نفسها ، فإن وجود غشاء بيولوجي ضروري لتحديد الحدود بين البيئة الحية وخارج الخلية. تطوريًا ، حددت هذه الخطوة أصل الخلايا الأولى.

يُعتقد أن الخلية الأولى نشأت من جزيء الحمض النووي الريبي المحاط بغشاء مكون من الدهون الفوسفورية. هذه الأخيرة عبارة عن جزيئات أمفيباثيك ، مما يعني أن جزءًا واحدًا محب للماء (قابل للذوبان في الماء) والجزء الآخر كاره للماء (غير قابل للذوبان في الماء).

عندما يتم إذابة الدهون الفسفورية في الماء ، يكون لديها القدرة على التجمع تلقائيًا وتشكيل طبقة ثنائية من الدهون. يتم تجميع الرؤوس القطبية في مواجهة البيئة المائية وذيول كارهة للماء بالداخل ، على اتصال مع بعضها البعض.

هذا الحاجز مستقر ديناميكيًا ويخلق حجرة تسمح للخلية بالانفصال عن البيئة خارج الخلية.

مع مرور الوقت ، واصل الحمض النووي الريبي المغلق داخل الغشاء الدهني مساره التطوري باتباع الآليات الداروينية - حتى قدم عمليات معقدة مثل تخليق البروتين.

تطور التمثيل الغذائي

بمجرد تشكل هذه الخلايا البدائية ، بدأ تطوير المسارات الأيضية التي نعرفها اليوم. السيناريو الأكثر منطقية لأصل الخلايا الأولى هو المحيط ، لذلك كانت الخلايا الأولى قادرة على الحصول على الغذاء والطاقة مباشرة من البيئة.

عندما أصبح الطعام نادرًا ، كان لا بد من ظهور أنواع مختلفة من الخلايا بأساليب بديلة للحصول على الطعام وتوليد الطاقة التي سمحت لهم بمواصلة تكاثرهم.

إن توليد الأيض الخلوي والتحكم فيه ضروريان لاستمراريتها. في الواقع ، يتم الحفاظ على مسارات التمثيل الغذائي الرئيسية على نطاق واسع بين الكائنات الحية الحالية. على سبيل المثال ، تقوم كل من البكتيريا والثدييات بإجراء عملية تحلل السكر.

لقد تم اقتراح أن توليد الطاقة تطور على ثلاث مراحل ، تبدأ بالتحلل الجلدي ، يليه التمثيل الضوئي ، وتنتهي بعملية التمثيل الغذائي التأكسدي.

نظرًا لأن البيئة البدائية كانت تفتقر إلى الأكسجين ، فمن المعقول أن تكون التفاعلات الأيضية المبكرة بدونه.

تطور الخلية حقيقية النواة

كانت الخلايا بدائية النواة بشكل فريد حتى حوالي 1.5 مليار سنة مضت. في هذه المرحلة ، ظهرت الخلايا الأولى ذات النواة الحقيقية والعضيات نفسها. النظرية الأبرز في الأدبيات التي تشرح تطور العضيات هي نظرية التعايش الداخلي (endo تعني الداخلية).

الكائنات الحية ليست معزولة في بيئتها. تقدم المجتمعات البيولوجية تفاعلات متعددة ، معادية وتآزرية. مصطلح شامل يستخدم للتفاعلات المختلفة هو التعايش - كان يستخدم سابقًا فقط للعلاقات المتبادلة بين نوعين.

التفاعلات بين الكائنات الحية لها عواقب تطورية مهمة ، والمثال الأكثر دراماتيكية على ذلك هو نظرية التعايش الداخلي ، التي اقترحها الباحث الأمريكي لين مارغوليس لأول مرة في الثمانينيات.

مسلمات نظرية التعايش الداخلي

وفقًا لهذه النظرية ، كانت بعض العضيات حقيقية النواة - مثل البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا - في البداية كائنات بدائية النواة تعيش بحرية. في مرحلة ما من التطور ، تم ابتلاع بدائية النواة من قبل واحدة أكبر ، ولكن لم يتم هضمها. بدلاً من ذلك ، نجا وعلق داخل الكائن الحي الأكبر.

بالإضافة إلى البقاء على قيد الحياة ، تمت مزامنة أوقات التكاثر بين الكائنات الحية ، وتمكنت من الانتقال إلى الأجيال المتعاقبة.

في حالة البلاستيدات الخضراء ، أظهر الكائن الحي المبتلع جميع الآليات الأنزيمية لإجراء عملية التمثيل الضوئي ، مما يمد الكائن الأكبر بمنتجات هذه التفاعلات الكيميائية: السكريات الأحادية. في حالة الميتوكوندريا ، يُفترض أن بدائيات النوى المغمورة يمكن أن تكون بكتيريا بروتينية ألفا أسلافية.

ومع ذلك ، فإن الهوية المحتملة للكائن الحي الأكبر هو سؤال مفتوح في الأدبيات.

فقد الكائن بدائية النواة المبتلع جداره الخلوي ، وخضع طوال التطور للتعديلات ذات الصلة التي نشأت عن العضيات الحديثة. هذه ، في جوهرها ، نظرية التعايش الداخلي.

أدلة على نظرية التعايش الداخلي

يوجد حاليًا العديد من الحقائق التي تدعم نظرية التعايش الداخلي ، وهي: (أ) حجم الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء الحالية مشابه لحجم بدائيات النوى ؛ (ب) تمتلك هذه العضيات موادها الجينية الخاصة وتقوم بتوليف جزء من البروتينات ، على الرغم من أنها ليست مستقلة تمامًا عن النواة و (ج) هناك أوجه تشابه كيميائية حيوية متعددة بين كلا الكيانات البيولوجية.

مزايا كونها حقيقية النواة

يرتبط تطور الخلايا حقيقية النواة بسلسلة من المزايا على بدائيات النوى. سمحت الزيادة في الحجم والتعقيد والتجزئة بالتطور السريع للوظائف البيوكيميائية الجديدة.

بعد وصول الخلية حقيقية النواة ، ظهرت تعدد الخلايا. إذا أرادت الخلية التمتع بفوائد الحجم الأكبر ، فلا يمكنها ببساطة أن تنمو ، لأن سطح الخلية يجب أن يكون كبيرًا بالنسبة إلى حجمها.

وهكذا ، كانت الكائنات الحية التي تحتوي على أكثر من خلية قادرة على زيادة حجمها وتوزيع المهام بين الخلايا المتعددة التي تتكون منها.

المراجع

1. ألتستين ، م (2015). فرضية البروتين: عالم البروتينات النووية وكيف بدأت الحياة. بيولوجي دايركت ، 10 ، 67.
2. أندرسون ، بي دبليو (1983). نموذج مقترح لتطور البريبايوتك: استخدام الفوضى. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم ، 80 (11) ، 3386-3390.
3. Audesirk ، T. ، Audesirk ، G. ، & Byers ، BE (2003). علم الأحياء: الحياة على الأرض. تعليم بيرسون.
4. كامبل ، آن ، & ريس ، جي بي (2005). مادة الاحياء. افتتاحية Médica Panamericana.
5. جاما ، م (2007). علم الأحياء 1: نهج بنائي. تعليم بيرسون.
6. Hogeweg، P.، & Takeuchi، N. (2003). الانتقاء متعدد المستويات في نماذج تطور البريبايوتك: المقصورات والتنظيم الذاتي المكاني. أصول الحياة وتطور المحيط الحيوي ، 33 (4-5) ، 375-403.
7. Lazcano، A.، & Miller، SL (1996). أصل الحياة وتطورها المبكر: كيمياء البريبايوتك وعالم ما قبل الحمض النووي الريبي والوقت. الخلية، 85 (6) ، 793-798.
8. McKenney ، K. ، & Alfonzo ، J. (2016). من البريبايوتكس إلى البروبيوتيك: تطور ووظائف تعديلات الحمض النووي الريبي. الحياة ، 6 (1) ، 13.
9. Schrum ، JP ، Zhu ، TF ، & Szostak ، JW (2010). أصول الحياة الخلوية. وجهات نظر كولد سبرينج هاربور في علم الأحياء ، a002212.
10. Silvestre ، DA ، & Fontanari ، JF (2008). نماذج الحزمة وأزمة المعلومات لتطور البريبايوتك. مجلة علم الأحياء النظري ، 252 (2) ، 326-337.
11. ستانو ، ب. ، ومافيلي ، ف. (2015). نماذج الخلايا الأولية في أصل الحياة والبيولوجيا التركيبية. الحياة ، 5 (4) ، 1700–1702.