מקור התא: תיאוריות עיקריות (פרוקריוטיות ואוקריוטיות) - ביולוגיה - 2025

מקור התא שתחילתה יותר מ 3.5 מיליארד שנים. האופן בו מקורן של יחידות פונקציונליות אלה עורר את סקרנותם של מדענים במשך כמה מאות שנים.

מקור החיים כשלעצמם לווה במוצא של תאים. בסביבה פרימיטיבית, התנאים הסביבתיים היו שונים מאוד ממה שאנו צופים כיום. ריכוז החמצן היה כמעט אפס, והאווירה נשלטה על ידי הרכב אחר של גזים.

מקור: pixabay.com

התנסויות שונות במעבדה הראו כי בתנאים הסביבתיים הראשוניים של כדור הארץ, ניתן לבצע פילמור של ביומולקולות שונות האופייניות למערכות אורגניות, כלומר: חומצות אמינו, סוכרים וכו '.

ניתן לכלול מולקולה בעלת יכולת קטליטית וכדי לשכפל את עצמה (פוטנציאלית RNA) בממברנה פוספוליפיד, וכך ליצור את התאים הפרוקריוטים הפרימיטיביים הראשונים, שהתפתחו בעקבות עקרונות דרוויניאנים.

באופן דומה, מקורו של התא האוקריוטי מוסבר בדרך כלל באמצעות התיאוריה האנדוסימביוטית. רעיון זה תומך בכך שחיידק גדול עטף אחד קטן יותר ועם חלוף הזמן מקורו באברונים המוכרים לנו כיום (כלורופלסטים ומיטוכונדריה).

תורת התא

תא הוא מונח שמקורו בתא השורש הלטיני, שפירושו חלול. אלה היחידות התפקודיות והמבניות של יצורים חיים. המונח שימש לראשונה במאה ה -17 על ידי החוקר רוברט הוק, כאשר בדק גיליון פקק מתחת לאור מיקרוסקופ וצפה בסוג של תאים.

עם התגלית הזו, מדענים נוספים - בעיקר התרומות של תיאודור שוון ומתיאס שליידן - התעניינו במבנה המיקרוסקופי של החומר החי. בדרך זו נולד אחד מעמודי התווך החשובים ביותר בביולוגיה: תורת התא.

התיאוריה גורסת כי: (א) כל היצורים האורגניים מורכבים מתאים; (ב) התאים הם יחידת החיים; (ג) התגובות הכימיות המקיימות חיים מתרחשות בגבולות התא ו (ד) כל החיים מקורם בחיים שקדמו להם.

תמצית אחרונה זו מסוכמת בביטוי המפורסם של רודולף וירצ'וב: "omnis cellula e cellula" - כל התאים נגזרים מתאים אחרים שכבר קיימים. אבל מאיפה התא הראשון? בשלב הבא נתאר את התיאוריות העיקריות המבקשות להסביר את מקורן של המבנים התאיים הראשונים.

התפתחות התא הפרוקריוטי

מקור החיים הוא תופעה הקשורה קשר הדוק למקורם של תאים. על פני האדמה יש שתי צורות חיים סלולריות: פרוקריוטות ואוקריוטות.

שתי השושלות נבדלות זו מזו מבחינת מורכבותן ומבנהן, כאשר האוקריוטות הן אורגניזמים גדולים ומורכבים יותר. זה לא אומר שפרוקריוטות הן פשוטות - אורגניזם פרוקריוטי יחיד הוא אגרגורציה מסודרת ומורכבת של קומפלקסים מולקולריים שונים.

ההתפתחות של שני ענפי החיים היא אחת השאלות המרגשות ביותר בעולם הביולוגיה.

באופן כרונולוגי, החיים מוערכים בגילאים 3.5 עד 3.8 מיליארד שנים. זה הופיע בערך 750 מיליון שנה לאחר היווצרות כדור הארץ.

התפתחות צורות חיים מוקדמות: הניסויים של מילר

בראשית שנות העשרים הרעיון שמאקרו-מולקולות אורגניות יכולות להתפלח באופן ספונטני בתנאים סביבתיים של אווירה פרימיטיבית - עם ריכוזי חמצן נמוכים וריכוזים גבוהים של CO ₂ ו- N ₂ , כמו גם סדרה של של גזים כמו H ₂ , H ₂ S ו- CO.

ההנחה היא שהאווירה הפרימיטיבית ההיפותטית סיפקה סביבה מצמצמת, שיחד עם מקור אנרגיה (כמו אור שמש או פריקות חשמליות), יצרו את התנאים המסייעים לפירמור של מולקולות אורגניות.

תיאוריה זו אושרה בניסוי בשנת 1950 על ידי החוקר סטנלי מילר במהלך לימודיו לתואר שני.

הצורך במולקולה בעלת תכונות משכפלות וקטליטיות עצמית: עולם ה- RNA

לאחר שצוין את התנאים ההכרחיים להיווצרות המולקולות שאנו מוצאים בכל היצורים החיים, יש צורך להציע מולקולה פרימיטיבית בעלת יכולת לאגור מידע ולשכפל את עצמו - תאים נוכחיים מאחסנים מידע גנטי בשפה של ארבע נוקליאוטידים במולקולת ה- DNA.

נכון להיום המועמד הטוב ביותר למולקולה זו הוא RNA. רק בשנת 1980 גילו החוקרים סיד אלטמן וטום צ'ך את היכולות הקטליטיות של חומצה גרעינית זו, כולל פילמור של נוקלאוטידים - צעד קריטי בהתפתחות החיים והתאים.

מסיבות אלה, מאמינים כי החיים החלו להשתמש ב- RNA כחומר גנטי, ולא ב- DNA כפי שעושה הרוב המכריע של הצורות הנוכחיות.

הגבלת מחסומי החיים: פוספוליפידים

לאחר שהושגו המקרו-מולקולות והמולקולה המסוגלות לאחסן מידע ולשכפל את עצמו, קיומה של קרום ביולוגי נחוץ בכדי לקבוע את הגבולות בין הסביבה החיה לתא. מבחינה אבולוציונית, שלב זה סימן את מקור התאים הראשונים.

התא האמין כי הוא נבע ממולקולת RNA שהייתה סגורה על ידי קרום המורכב מפוספוליפידים. האחרונים הם מולקולות אמפיפטיות, כלומר חלק אחד הוא הידרופילי (מסיס במים) והחלק השני הוא הידרופובי (לא מסיס במים).

כאשר מומסים פוספוליפידים במים, יש להם את היכולת להצטבר באופן ספונטני ויוצרים דו שכבתי דו שומני. ראשי הקוטב מקובצים אל מול הסביבה המימית והזנבות ההידרופוביים בפנים, במגע זה עם זה.

מחסום זה יציב תרמודינמית ויוצר תא המאפשר הפרדת התא מהסביבה החוץ תאית.

עם חלוף הזמן, ה- RNA הסגור בתוך קרום השומנים המשיך את דרכו האבולוציונית בעקבות מנגנונים דרוויניסטיים - עד הצגת תהליכים מורכבים כמו סינתזת חלבון.

התפתחות חילוף החומרים

לאחר שנוצרו תאים פרימיטיביים אלה החלה התפתחותם של מסלולי חילוף החומרים המוכרים לנו כיום. התרחיש הכי מתקבל על הדעת למקור התאים הראשונים הוא האוקיאנוס, ולכן התאים הראשונים הצליחו להשיג מזון ואנרגיה ישירות מהסביבה.

כאשר המזון הפך נדיר, היו חייבים להופיע גרסאות תאים מסוימות בשיטות חלופיות להשגת מזון וייצור אנרגיה שאפשרו להם להמשיך את שכפולם.

יצירת מטבוליזם תאים ושליטה בו הם חיוניים להמשכיותו. למעשה, המסלולים המטבוליים העיקריים שמורים באופן נרחב בקרב אורגניזמים קיימים. לדוגמה, גם חיידק וגם יונק מבצעים גליקוליזה.

הוצע כי יצירת אנרגיה התפתחה בשלושה שלבים, החל מגיריקוליזה, ואחריה פוטוסינתזה והסתיימה במטבוליזם חמצוני.

מכיוון שהסביבה הפרימיטיבית חסרה חמצן, ניתן להניח כי התגובות המטבוליות המוקדמות עשו זאת בלעדיה.

התפתחות התא האוקריוטי

התאים היו פרוקריוטים באופן ייחודי עד לפני כחצי מיליארד שנה. בשלב זה הופיעו התאים הראשונים עם גרעין אמיתי ואברונים עצמם. התיאוריה הבולטת בספרות שמסבירה את התפתחות האברונים היא התיאוריה האנדוסימביוטית (פירושו של אנדו הוא פנימי).

אורגניזמים אינם מבודדים בסביבתם. קהילות ביולוגיות מציגות אינטראקציות מרובות, אנטגוניסטיות וסינרגיות כאחד. מונח מטריה המשמש לאינטראקציות שונות הוא סימביוזה - שימש בעבר רק ליחסים הדדיים בין שני מינים.

לאינטראקציות בין אורגניזמים יש השלכות אבולוציוניות חשובות, והדוגמה הדרמטית ביותר לכך היא התיאוריה האנדוסימביוטית, שהוצעה לראשונה על ידי החוקרת האמריקאית לין מרגוליס בשנות השמונים.

Postulates של התיאוריה האנדוסימביוטית

על פי תיאוריה זו, חלק מהאיברונים האוקריוטים - כמו כלורופלסטים ומיטוכונדריה - היו בתחילה אורגניזמים פרוקריוטים החיים בחופשיות. בשלב מסוים של האבולוציה, פרוקריוט נבלע על ידי אחד גדול יותר, אך לא עיכל. במקום זאת, הוא שרד ונלכד בתוך האורגניזם הגדול יותר.

בנוסף להישרדות, זמני ההתרבות בין שני האורגניזמים סונכרנו והצליחו לעבור לדורות עוקבים.

במקרה של כלורופלסטים, האורגניזם המעוטר הציג את כל המכונות האנזימטיות לביצוע פוטוסינתזה, וסיפק לאורגניזם הגדול יותר את התוצרים של התגובות הכימיות הללו: מונוסכרידים. במקרה של מיטוכונדריה, מוצג כי הפרוקריוט המעוטר יכול להיות α-proteobacteria של אבות.

עם זאת, זהותו הפוטנציאלית של האורגניזם המארח הגדול יותר היא שאלה פתוחה בספרות.

האורגניזם הפרוקריוטי המעוטר איבד את דופן התא שלו, ולאורך האבולוציה עבר את השינויים הרלוונטיים שמקורם באברונים מודרניים. זוהי, במהותה, התיאוריה האנדוסימביוטית.

ראיות לתאוריה האנדוסימביוטית

נכון לעכשיו ישנן עובדות מרובות התומכות בתיאוריה של אנדוסימביוזה, כלומר: (א) גודל המיטוכונדריה והכלורופלסטים הנוכחיים דומה לזה של הפרוקריוטות; (ב) לאברונים אלה חומר גנטי משלהם ומסנתז חלק מהחלבונים, אם כי הם אינם תלויים לחלוטין בגרעין ו- (ג) ישנם קווי דמיון ביוכימיים מרובים בין שתי הישויות הביולוגיות.

יתרונות להיות אוקריוטים

ההתפתחות של תאים אוקריוטיים קשורה לשורה של יתרונות על פני הפרוקריוטות. הגידול בגודל, במורכבות ובמידור אפשרו התפתחות מהירה של פונקציות ביוכימיות חדשות.

לאחר הגעת התא האוקריוטי הגיעה תא רב-תאי. אם תא "רוצה" ליהנות מהיתרונות של גודל גדול יותר, הוא לא יכול פשוט לגדול, מכיוון שמשטח התא חייב להיות גדול ביחס לנפח שלו.

כך, אורגניזמים עם יותר מתא אחד הצליחו להגדיל את גודלם ולהפיץ את המשימות בין התאים המרובים המרכיבים אותם.

הפניות

1. אלטשטיין, לספירה (2015). השערת הפרוגן: עולם הגרעין ואיך התחילו החיים. ביולוגיה ישירה, 10, 67.
2. אנדרסון, PW (1983). מודל מוצע להתפתחות פרביוטית: שימוש בכאוס. הליכי האקדמיה הלאומית למדעים, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). ביולוגיה: חיים על כדור הארץ. חינוך פירסון.
4. קמפבל, AN, ו- Reece, JB (2005). ביולוגיה. העריכה של מדיקה פאנמריקנה.
5. Gama, M. (2007). ביולוגיה 1: גישה קונסטרוקטיביסטית. פירסון חינוך.
6. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). בחירה רב-שכבתית במודלים של התפתחות פרביוטית: תאים וארגון עצמי מרחבי. מקורות החיים והתפתחות הביוספרה, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). מקור החיים והתפתחותם המוקדמת: כימיה פרביוטית, עולם קדם ה- RNA והזמן. תא, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K., and Alfonzo, J. (2016). מפריביוטיקה לפרוביוטיקה: ההתפתחות והתפקודים של שינויים ב- tRNA. החיים, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF, and Szostak, JW (2010). מקורם של חיי הסלולר. פרספקטיבות של קפיץ ספרינג הארבור בביולוגיה, a002212.
10. Silvestre, DA, & Fontanari, JF (2008). מודלים של חבילות ומשבר המידע של האבולוציה הפרביוטית. כתב העת לביולוגיה תיאורטית, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P., & Mavelli, F. (2015). פרוטוקולים מודלים במקור החיים ובביולוגיה סינתטית. חיים, 5 (4), 1700–1702.