5.7: Ewolucja Eukariotów
Ewolucja Eukariotów
Nasze własne komórki eukariotyczne chronią DNA w chromosomach za pomocą błony jądrowej, wytwarzają ATP za pomocą mitochondriów, poruszają się za pomocą flagelli (w przypadku plemników) i żywią się komórkami, które wytwarzają nasze pożywienie za pomocą chloroplastów. Wszystkie organizmy wielokomórkowe i jednokomórkowe protisty dzielą tę komórkową zawiłość. Komórki bakteryjne (prokariotyczne) są o rzędy wielkości mniejsze i nie posiadają żadnej z tych złożoności. Jaki skok kwantowy w ewolucji stworzył tę ogromną przepaść różnicy?
Pierwsze komórki eukariotyczne – komórki z jądrem i wewnętrznymi organellami związanymi z błoną – prawdopodobnie wyewoluowały około 2 miliardów lat temu. Wyjaśnia to teoria endosymbiotyczna. Jak pokazano na poniższym rysunku, endosymbioza powstała, gdy duże komórki pochłonęły małe komórki. Małe komórki nie zostały strawione przez duże. Zamiast tego, żyły wewnątrz dużych komórek i ewoluowały w organelle.
Od niezależnej komórki do organelli. Teoria endosymbiotyczna wyjaśnia, jak ewoluowały komórki eukariotyczne.
Duże i małe komórki tworzyły symbiotyczny związek, w którym obie komórki czerpały korzyści. Niektóre z małych komórek były w stanie rozkładać odpady z dużych komórek na energię. Dostarczały one energii nie tylko sobie, ale także dużej komórce. Stały się mitochondriami komórek eukariotycznych. Inne małe komórki potrafiły wykorzystywać światło słoneczne do produkcji pokarmu. Dzieliły się pożywieniem z dużą komórką. Stały się chloroplastami komórek eukariotycznych.
Mitochondria i chloroplasty
Jakie są dowody na tę ścieżkę ewolucji? Biochemia i mikroskopia elektronowa dostarczają przekonywującego wsparcia. Mitochondria i chloroplasty w naszych komórkach eukariotycznych mają następujące cechy wspólne z komórkami prokariotycznymi:
- DNA ich organelli jest krótkie i koliste, a sekwencje DNA nie odpowiadają sekwencjom DNA znajdującym się w jądrze.
- Molekuły tworzące błony organelli przypominają te w błonach prokariotycznych – i różnią się od tych w błonach eukariotycznych.
- Rybosomy w tych organellach są podobne do rybosomów bakteryjnych i różnią się od rybosomów eukariotycznych.
- Reprodukcja odbywa się przez rozszczepienie binarne, a nie przez mitozę.
- Ścieżki biochemiczne i struktury wykazują bliższe związki z prokariotami.
- Dwie lub więcej błon otaczają te organelle.
Błona komórkowa „gospodarza” i biochemia są bardziej podobne do tych u Archaebakterii, więc naukowcy uważają, że eukarionty wywodzą się bardziej bezpośrednio od tej głównej grupy (rysunek poniżej). Czas tego dramatycznego wydarzenia ewolucyjnego (a raczej serii wydarzeń) nie jest jasny. Najstarszą skamieniałością wyraźnie związaną ze współczesnymi eukariotami jest czerwona alga sprzed 1,2 miliarda lat. Jednak wielu naukowców datuje pojawienie się komórek eukariotycznych na około 2 miliardy lat. Jakiś czas temu w erze proterozoicznej wszystkie trzy główne grupy życia – Bacteria, Archaea i Eukaryota – stały się dobrze ugruntowane.
Co to wszystko znaczy?
Komórki eukariotyczne, możliwe dzięki endosymbiozie, były potężne i wydajne. Ta moc i wydajność dała im potencjał do wyewoluowania nowych cech: wielokomórkowości, specjalizacji komórek i dużych rozmiarów. Były one kluczem do spektakularnej różnorodności zwierząt, roślin i grzybów, które zamieszkują nasz dzisiejszy świat. Niemniej jednak, gdy zamykamy historię wczesnego życia, zastanówmy się raz jeszcze nad niezwykłymi, lecz często nieopisanymi wzorcami i procesami wczesnej ewolucji. Często, jako ludzie, koncentrujemy naszą uwagę na roślinach i zwierzętach, a ignorujemy bakterie. Nasze ludzkie zmysły nie są w stanie bezpośrednio dostrzec niewyobrażalnej różnorodności pojedynczych komórek, architektury organicznych molekuł czy zawiłości biochemicznych szlaków. Niech studia nad wczesną ewolucją dadzą Ci nową perspektywę – okno na piękno i różnorodność niewidzialnych światów, teraz i w całej historii Ziemi. Oprócz mitochondriów, które nazywają 100 trylionów komórek domem, twoje ciało zawiera więcej komórek bakteryjnych niż ludzkich. Ty, mitochondria i twoje bakterie dzielicie wspólny rodowód – ciągłą historię daru życia.
Trzy główne domeny życia rozwinęły się 1,5 miliarda lat temu. Podobieństwa biochemiczne wskazują, że eukarionty mają nowszych wspólnych przodków z Archaea, ale nasze organelle prawdopodobnie pochodzą od bakterii w drodze endosymbiozy.