5.7: Еволюція еукаріотів

Чому ця риба може жити в цих щупальцях, а інші риби не можуть?

Анемони і Риби-клоун мають добре відомі симбіотичні відносини. В океані Риби-клоун захищені від риби-хижаків жалкими щупальцями анемони, а анемона отримує захист від поліпоїдних риб, яких Риба-клоун ганяє. Але як щодо симбіотичних відносин у набагато меншому масштабі? Чи можливо у двох одноклітинних організмів симбіотичні відносини? Як ви дізнаєтеся, так це!

Еволюція еукаріотів

Наші власні еукаріотичні клітини захищають ДНК в хромосомах ядерною мембраною, роблять АТФ з мітохондріями, рухаються джгутиками (у випадку сперматозоїдів) і харчуються клітинами, які роблять нашу їжу хлоропластами. Всі багатоклітинні організми і одноклітинні протисти поділяють цю клітинну складність. Бактеріальні (прокаріотичні) клітини на порядки менше і не мають такої складності. Який квантовий стрибок в еволюції створив цю величезну прірву різниці?

Перші еукаріотичні клітини - клітини з ядром, внутрішніми мембрано-зв'язаними органелами - ймовірно, еволюціонували близько 2 мільярдів років тому. Це пояснюється ендосимбіотичної теорією. Як показано на малюнку нижче, ендосимбіоз виник, коли великі клітини охопили дрібні клітини. Дрібні клітини не перетравлювалися великими клітинами. Натомість вони жили всередині великих клітин і еволюціонували в органели.

Від незалежної клітини до органели. Ендосимбіотична теорія пояснює, як еволюціонували еукаріотичні клітини.

Великі і малі клітини утворили симбіотичні відносини, в яких обидві клітини приносили користь. Деякі з дрібних клітин змогли розщеплювати відходи великих клітин для отримання енергії. Вони постачали енергією не тільки собі, але і великій клітині. Вони стали мітохондріями еукаріотичних клітин. Інші дрібні клітини змогли використовувати сонячне світло для приготування їжі. Вони ділилися їжею з великою клітиною. Вони стали хлоропластами еукаріотичних клітин.

Мітохондрії та хлоропласти

Що є доказом цього еволюційного шляху? Біохімія та електронна мікроскопія забезпечують переконливу підтримку. Мітохондрії та хлоропласти всередині наших еукаріотичних клітин мають такі особливості з прокаріотичними клітинами:

• Їх ДНК органел коротка і кругова, а послідовності ДНК не відповідають послідовностям ДНК, знайденим в ядрі.
• Молекули, що входять до складу мембран органел, нагадують молекули прокаріотичних мембран - і відрізняються від молекул в еукаріотичних мембранах.
• Рибосоми в цих органелах подібні до бактеріальних рибосом і відрізняються від еукаріотичних рибосом.
• Розмноження відбувається бінарним діленням, а не мітозом.
• Біохімічні шляхи і структури показують більш тісні зв'язки з прокаріотами.
• Дві і більше мембрани оточують ці органели.

Клітинна мембрана «господаря» та біохімія більше схожі на мембрану Архебактерій, тому вчені вважають, що еукаріоти походять більш безпосередньо з цієї основної групи (рисунок нижче). Терміни цієї драматичної еволюційної події (скоріше низки подій) неясні. Найдавніша викопна, чітко пов'язана з сучасними еукаріотами, - це червона водорость, що датується 1,2 мільярда років тому. Однак багато вчених поміщають появу еукаріотичних клітин приблизно в 2 мільярди років. Деякий час у протерозойському еоні, тоді всі три основні групи життя - бактерії, архей та еукаріоти - стали добре зарекомендували себе.

Що це все означає?

Еукаріотичні клітини, які стали можливими завдяки ендосимбіозу, були потужними та ефективними. Ця потужність та ефективність дали їм потенціал для розвитку нових характеристик: багатоклітинності, спеціалізації клітин та великих розмірів. Вони були ключем до вражаючого різноманіття тварин, рослин і грибів, які населяють наш світ сьогодні. Тим не менш, коли ми закриваємо історію раннього життя, ще раз поміркуйте над чудовими, але часто неоспіваними закономірностями та процесами ранньої еволюції. Часто, як люди, ми зосереджуємо свою увагу на рослині та тварині та ігноруємо бактерії. Наші людські органи чуття не можуть безпосередньо сприймати неймовірне різноманіття окремих клітин, архітектуру органічних молекул або складність біохімічних шляхів. Нехай ваше вивчення ранньої еволюції дасть вам нову перспективу - вікно в красу і різноманітність невидимих світів, зараз і протягом всієї історії Землі. На додаток до мітохондрій, які називають ваші 100 трильйонів клітин додому, ваше тіло містить більше бактеріальних клітин, ніж клітини людини. Ви, мітохондрії та ваші резидентні бактерії мають спільне походження — безперервну історію дару життя.

Три основні сфери життя розвивалися на 1,5 мільярда років тому. Біохімічні подібності показують, що еукаріоти поділяють більш пізніх спільних предків з археєю, але наші органели, ймовірно, походять від бактерій шляхом ендосимбіозу.

Резюме

• Еукаріотичні клітини, ймовірно, еволюціонували близько 2 мільярдів років тому. Їх еволюція пояснюється ендосимбіотичної теорією.
• Мітохондрії і хлоропласти еволюціонували з прокаріотичних організмів.
• Еукаріотичні клітини продовжуватимуть еволюціонувати в різноманітність еукаріотів, які ми знаємо сьогодні.

Дізнатися більше

Використовуйте повзунок часу в цьому ресурсі, щоб відповісти на наступні питання.

• Еволюція на http://johnkyrk.com/evolution.swf.

1. Коли клітини почали «ковтати» інші клітини?
2. Коли розвинулося дихання?
3. Швидке зростання атмосферного кисню сприяло яким клітинам?
4. Коли вперше утворилися еукаріотичні клітини? Що відрізняло ці клітини від попередників?

Рецензія

1. Коли розвивалися перші еукаріотичні клітини?
2. Охарактеризуйте ендосимбіотичну теорію.
3. Обговоріть докази еволюції мітохондрій і хлоропластів.