ต้นกำเนิดของเซลล์: ทฤษฎีหลัก (โปรคาริโอตและยูคาริโอต) - ชีววิทยา - 2026

ต้นกำเนิดของเซลล์วันที่กลับกว่า 3.5 พันปี วิธีการที่หน่วยการทำงานเหล่านี้กำเนิดขึ้นได้กระตุ้นความอยากรู้อยากเห็นของนักวิทยาศาสตร์มาหลายศตวรรษ

ต้นกำเนิดของสิ่งมีชีวิตต่อตัวมาพร้อมกับการกำเนิดของเซลล์ ในสภาพแวดล้อมดั้งเดิมสภาพแวดล้อมต่างจากที่เราสังเกตเห็นในปัจจุบันมาก ความเข้มข้นของออกซิเจนแทบจะเป็นศูนย์และบรรยากาศถูกครอบงำโดยองค์ประกอบอื่นของก๊าซ

ที่มา: pixabay.com

ประสบการณ์ที่แตกต่างกันในห้องปฏิบัติการแสดงให้เห็นว่าภายใต้สภาพแวดล้อมเริ่มต้นของโลกการเกิดพอลิเมอไรเซชันของสารชีวโมเลกุลต่างๆที่มีลักษณะเฉพาะของระบบอินทรีย์ ได้แก่ กรดอะมิโนน้ำตาลเป็นต้น

โมเลกุลที่มีความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาและในการจำลองตัวเอง (อาจเป็น RNA) อาจถูกล้อมรอบด้วยเมมเบรนฟอสโฟลิปิดซึ่งก่อตัวเป็นเซลล์โปรคาริโอตดั้งเดิมตัวแรกซึ่งพัฒนาตามหลักการของดาร์วิน

ในทำนองเดียวกันต้นกำเนิดของเซลล์ยูคาริโอตมักจะอธิบายโดยใช้ทฤษฎีเอนโดซิมไบโอติก แนวคิดนี้สนับสนุนว่าแบคทีเรียขนาดใหญ่ได้กลืนกินแบคทีเรียที่มีขนาดเล็กลงและเมื่อเวลาผ่านไปทำให้เกิดออร์แกเนลล์ที่เรารู้จักในปัจจุบัน (คลอโรพลาสต์และไมโทคอนเดรีย)

ทฤษฎีเซลล์

Cell เป็นคำที่มาจากภาษาละติน cellula ซึ่งแปลว่ากลวง สิ่งเหล่านี้คือหน่วยหน้าที่และโครงสร้างของสิ่งมีชีวิต คำนี้ถูกใช้ครั้งแรกในศตวรรษที่ 17 โดยนักวิจัย Robert Hooke เมื่อเขากำลังตรวจสอบแผ่นไม้ก๊อกภายใต้แสงของกล้องจุลทรรศน์และสังเกตเห็นเซลล์ชนิดหนึ่ง

จากการค้นพบนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งการมีส่วนร่วมของ Theodor Schwann และ Matthias Schleiden เริ่มให้ความสนใจในโครงสร้างขนาดเล็กของสิ่งมีชีวิต ด้วยวิธีนี้เสาหลักที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งของชีววิทยาจึงถือกำเนิดขึ้น: ทฤษฎีเซลล์

ทฤษฎีนี้ถือได้ว่า: (ก) สิ่งมีชีวิตอินทรีย์ทั้งหมดประกอบด้วยเซลล์ (b) เซลล์เป็นหน่วยของชีวิต (c) ปฏิกิริยาทางเคมีที่ดำรงชีวิตเกิดขึ้นภายในขอบเขตของเซลล์และ (ง) ทุกชีวิตมาจากชีวิตที่มีอยู่ก่อน

ข้อสรุปสุดท้ายนี้สรุปไว้ในวลีที่มีชื่อเสียงของรูดอล์ฟเวอร์โคว: "omnis cellula e cellula" - เซลล์ทั้งหมดได้มาจากเซลล์อื่นที่มีอยู่แล้ว แต่เซลล์แรกมาจากไหน? ต่อไปเราจะอธิบายถึงทฤษฎีหลักที่พยายามอธิบายที่มาของโครงสร้างเซลล์แรก

วิวัฒนาการของเซลล์โปรคาริโอต

การกำเนิดของสิ่งมีชีวิตเป็นปรากฏการณ์ที่เชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับการกำเนิดของเซลล์ บนโลกมีสิ่งมีชีวิตสองรูปแบบ ได้แก่ โปรคาริโอตและยูคาริโอต

เชื้อสายทั้งสองแตกต่างกันโดยพื้นฐานในแง่ของความซับซ้อนและโครงสร้างโดยยูคาริโอตเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีขนาดใหญ่และซับซ้อนกว่า นี่ไม่ได้หมายความว่าโปรคาริโอตนั้นเรียบง่าย - สิ่งมีชีวิตโปรคาริโอตตัวเดียวคือการรวมตัวกันของโมเลกุลเชิงซ้อนต่างๆที่เป็นระเบียบและซับซ้อน

วิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตทั้งสองแขนงเป็นหนึ่งในคำถามที่น่าตื่นเต้นที่สุดในโลกของชีววิทยา

ตามลำดับชีวิตคาดว่ามีอายุ 3.5 ถึง 3.8 พันล้านปี สิ่งนี้ปรากฏขึ้นประมาณ 750 ล้านปีหลังจากการก่อตัวของโลก

วิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตในวัยเด็ก: การทดลองของมิลเลอร์

ในช่วงต้นทศวรรษ 1920 ความคิดที่ว่าโมเลกุลขนาดใหญ่อินทรีย์สามารถพอลิเมอร์ได้เองภายใต้สภาพแวดล้อมของบรรยากาศดั้งเดิมโดยมีความเข้มข้นของออกซิเจนต่ำและ CO ₂และ N _{2 ที่}มีความเข้มข้นสูงรวมทั้งชุดของ ของก๊าซเช่น H ₂ , H ₂ S และ CO

สันนิษฐานว่าบรรยากาศดึกดำบรรพ์สมมุติจัดให้มีสภาพแวดล้อมที่ลดลงซึ่งร่วมกับแหล่งพลังงาน (เช่นแสงแดดหรือการปล่อยประจุไฟฟ้า) ทำให้เกิดสภาวะที่เอื้อต่อการเกิดพอลิเมอไรเซชันของโมเลกุลอินทรีย์

ทฤษฎีนี้ได้รับการยืนยันโดยนักวิจัย Stanley Miller ในปี 1950 ระหว่างการศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา

ความต้องการโมเลกุลที่มีคุณสมบัติจำลองตัวเองและตัวเร่งปฏิกิริยา: โลกของ RNA

หลังจากระบุเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการก่อตัวของโมเลกุลที่เราพบในสิ่งมีชีวิตทั้งหมดแล้วจำเป็นต้องเสนอโมเลกุลดั้งเดิมที่มีความสามารถในการจัดเก็บข้อมูลและจำลองตัวเอง - เซลล์ปัจจุบันเก็บข้อมูลทางพันธุกรรมภายใต้ภาษาที่สี่ นิวคลีโอไทด์ในโมเลกุลดีเอ็นเอ

จนถึงปัจจุบันตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับโมเลกุลนี้คือ RNA จนกระทั่งปีพ. ศ. 2523 นักวิจัย Sid Altman และ Tom Cech ได้ค้นพบความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาของกรดนิวคลีอิกนี้รวมถึงการพอลิเมอไรเซชันของนิวคลีโอไทด์ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตและเซลล์

ด้วยเหตุนี้จึงเชื่อกันว่าสิ่งมีชีวิตเริ่มโดยใช้ RNA เป็นสารพันธุกรรมไม่ใช่ DNA เหมือนอย่างที่รูปแบบส่วนใหญ่ในปัจจุบันทำ

การ จำกัด อุปสรรคของชีวิต: ฟอสโฟลิปิด

เมื่อได้โมเลกุลขนาดใหญ่และโมเลกุลที่สามารถจัดเก็บข้อมูลและจำลองตัวเองได้แล้วการมีอยู่ของเมมเบรนทางชีววิทยาเป็นสิ่งจำเป็นในการกำหนดขอบเขตระหว่างสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อมนอกเซลล์ ตามวิวัฒนาการขั้นตอนนี้ถือเป็นจุดกำเนิดของเซลล์แรก

เชื่อกันว่าเซลล์แรกเกิดจากโมเลกุลอาร์เอ็นเอที่ล้อมรอบด้วยเมมเบรนที่ประกอบด้วยฟอสโฟลิปิด ส่วนหลังเป็นโมเลกุลแอมฟิพาทิกซึ่งหมายความว่าส่วนหนึ่งเป็นไฮโดรฟิลิก (ละลายได้ในน้ำ) ส่วนอีกส่วนหนึ่งไม่ชอบน้ำ (ไม่ละลายในน้ำ)

เมื่อฟอสโฟลิปิดละลายในน้ำพวกมันจะมีความสามารถในการรวมตัวกันตามธรรมชาติและก่อตัวเป็นลิพิดบิลิเลเยอร์ หัวขั้วจะถูกจัดกลุ่มโดยหันหน้าไปทางสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำและหางที่ไม่ชอบน้ำด้านในซึ่งสัมผัสกัน

สิ่งกีดขวางนี้มีความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์และสร้างช่องที่ช่วยให้เซลล์แยกออกจากสภาพแวดล้อมนอกเซลล์ได้

เมื่อเวลาผ่านไป RNA ที่อยู่ภายในเยื่อหุ้มไขมันยังคงดำเนินต่อไปตามกระบวนการวิวัฒนาการตามกลไกของดาร์วินจนกระทั่งนำเสนอกระบวนการที่ซับซ้อนเช่นการสังเคราะห์โปรตีน

วิวัฒนาการของการเผาผลาญ

เมื่อเซลล์ดั้งเดิมเหล่านี้ก่อตัวขึ้นการพัฒนาวิถีการเผาผลาญที่เรารู้จักในปัจจุบันก็เริ่มขึ้น สถานการณ์ที่เป็นไปได้มากที่สุดสำหรับการกำเนิดของเซลล์แรกคือมหาสมุทรดังนั้นเซลล์แรกจึงสามารถรับอาหารและพลังงานได้โดยตรงจากสิ่งแวดล้อม

เมื่ออาหารหายากการเปลี่ยนแปลงของเซลล์บางชนิดจะต้องปรากฏขึ้นพร้อมกับวิธีอื่นในการได้รับอาหารและสร้างพลังงานที่ทำให้พวกมันสามารถจำลองแบบต่อไปได้

การสร้างและควบคุมการเผาผลาญของเซลล์มีความสำคัญต่อความต่อเนื่อง ในความเป็นจริงวิถีการเผาผลาญหลักได้รับการอนุรักษ์อย่างกว้างขวางในหมู่สิ่งมีชีวิตในปัจจุบัน ตัวอย่างเช่นทั้งแบคทีเรียและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีกระบวนการไกลโคไลซิส

มีการเสนอว่าการสร้างพลังงานมีวิวัฒนาการใน 3 ขั้นตอนโดยเริ่มจากไกลโคไลซิสตามด้วยการสังเคราะห์ด้วยแสงและลงท้ายด้วยการเผาผลาญออกซิเดชั่น

เนื่องจากสภาพแวดล้อมดั้งเดิมขาดออกซิเจนจึงเป็นไปได้ที่ปฏิกิริยาการเผาผลาญในช่วงต้นทำได้โดยปราศจากมัน

วิวัฒนาการของเซลล์ยูคาริโอต

เซลล์เป็นโปรคาริโอตที่ไม่เหมือนใครจนกระทั่งประมาณ 1.5 พันล้านปีก่อน ในขั้นตอนนี้เซลล์แรกที่มีนิวเคลียสและออร์แกเนลล์ที่แท้จริงจะปรากฏขึ้น ทฤษฎีที่โดดเด่นที่สุดในวรรณคดีที่อธิบายวิวัฒนาการของออร์แกเนลล์คือทฤษฎีเอนโดซิมไบโอติก (endo หมายถึงภายใน)

สิ่งมีชีวิตไม่ได้ถูกแยกออกจากสิ่งแวดล้อม ชุมชนทางชีววิทยานำเสนอปฏิสัมพันธ์ที่หลากหลายทั้งที่เป็นปฏิปักษ์และเสริมกัน คำว่าร่มที่ใช้สำหรับปฏิสัมพันธ์ที่แตกต่างกันคือ symbiosis ซึ่งก่อนหน้านี้ใช้สำหรับความสัมพันธ์ซึ่งกันและกันระหว่างสิ่งมีชีวิตสองชนิดเท่านั้น

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตมีผลทางวิวัฒนาการที่สำคัญและตัวอย่างที่น่าทึ่งที่สุดของเรื่องนี้คือทฤษฎีเอนโดซิมไบโอติกซึ่งเสนอโดยลินน์มาร์กุลิสนักวิจัยชาวอเมริกันในช่วงทศวรรษที่ 1980

สมมุติฐานของทฤษฎีเอนโดซิมไบโอติก

ตามทฤษฎีนี้ออร์แกเนลล์ยูคาริโอตบางชนิดเช่นคลอโรพลาสต์และไมโทคอนเดรียเป็นสิ่งมีชีวิตโปรคาริโอตที่มีชีวิตอิสระ ในช่วงหนึ่งของวิวัฒนาการโปรคาริโอตถูกกลืนกินโดยโปรคาริโอตที่ใหญ่กว่า แต่ไม่ถูกย่อย แต่เขากลับรอดชีวิตและถูกขังอยู่ในสิ่งมีชีวิตที่ใหญ่กว่า

นอกเหนือจากการอยู่รอดแล้วเวลาในการสืบพันธุ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตทั้งสองยังถูกซิงโครไนซ์โดยจัดการให้ผ่านไปยังรุ่นต่อ ๆ ไป

ในกรณีของคลอโรพลาสต์สิ่งมีชีวิตที่กลืนกินได้แสดงกลไกของเอนไซม์ทั้งหมดเพื่อทำการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยจัดหาสิ่งมีชีวิตที่มีขนาดใหญ่กว่าด้วยผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาทางเคมีเหล่านี้: โมโนแซ็กคาไรด์ ในกรณีของไมโทคอนเดรียมีการตั้งสมมติฐานว่าโปรคาริโอตที่กลืนกินอาจเป็นแบคทีเรียα-proteobacteria ของบรรพบุรุษ

อย่างไรก็ตามอัตลักษณ์ที่เป็นไปได้ของสิ่งมีชีวิตโฮสต์ขนาดใหญ่เป็นคำถามเปิดในวรรณกรรม

สิ่งมีชีวิตโปรคาริโอตที่กลืนกินสูญเสียผนังเซลล์ไปและตลอดการวิวัฒนาการได้รับการดัดแปลงที่เกี่ยวข้องซึ่งก่อให้เกิดออร์แกเนลล์สมัยใหม่ นี่คือสาระสำคัญของทฤษฎีเอนโดซิมไบโอติก

หลักฐานสำหรับทฤษฎีเอนโดซิมไบโอติก

ปัจจุบันมีข้อเท็จจริงหลายประการที่สนับสนุนทฤษฎีเอนโดซิมไบโอซิสกล่าวคือ: (ก) ขนาดของไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ในปัจจุบันมีความคล้ายคลึงกับโปรคาริโอต (b) ออร์แกเนลล์เหล่านี้มีสารพันธุกรรมของตัวเองและสังเคราะห์เป็นส่วนหนึ่งของโปรตีนแม้ว่าจะไม่ได้เป็นอิสระจากนิวเคลียสอย่างสมบูรณ์ก็ตามและ (c) มีความคล้ายคลึงกันทางชีวเคมีหลายประการระหว่างหน่วยงานทางชีววิทยาทั้งสอง

ข้อดีของการเป็นยูคาริโอต

วิวัฒนาการของเซลล์ยูคาริโอตมีความเกี่ยวข้องกับข้อดีมากกว่าโปรคาริโอต การเพิ่มขนาดความซับซ้อนและการแบ่งส่วนทำให้เกิดการวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วของฟังก์ชันทางชีวเคมีแบบใหม่

หลังจากการมาถึงของเซลล์ยูคาริโอตมีหลายเซลล์ หากเซลล์ "ต้องการ" ที่จะได้รับประโยชน์จากขนาดที่ใหญ่ขึ้นเซลล์นั้นจะไม่สามารถเติบโตได้เพียงเพราะผิวของเซลล์จะต้องมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับปริมาตรของมัน

ดังนั้นสิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์มากกว่าหนึ่งเซลล์จึงสามารถเพิ่มขนาดและกระจายงานระหว่างเซลล์หลายเซลล์ที่ประกอบกัน

อ้างอิง

1. Altstein, AD (2015). สมมติฐานโปรเจนีน: โลกของนิวคลีโอโปรตีนและชีวิตเริ่มต้นอย่างไร ชีววิทยาโดยตรง, 10, 67.
2. แอนเดอร์สัน, PW (1983). แบบจำลองที่แนะนำสำหรับวิวัฒนาการของพรีไบโอติก: การใช้ความสับสนวุ่นวาย Proceedings of the National Academy of Sciences, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T. , Audesirk, G. , & Byers, พ.ศ. (2546). ชีววิทยา: สิ่งมีชีวิตบนโลก การศึกษาของ Pearson
4. Campbell, AN, & Reece, JB (2005). ชีววิทยา. บทบรรณาธิการMédica Panamericana
5. กามา, M. (2007). ชีววิทยา 1: แนวทางคอนสตรัคติวิสต์ การศึกษาของเพียร์สัน.
6. Hogeweg, P. , & Takeuchi, N. (2003). การเลือกหลายระดับในแบบจำลองของวิวัฒนาการพรีไบโอติก: ช่องและการจัดระเบียบตนเองเชิงพื้นที่ ต้นกำเนิดชีวิตและวิวัฒนาการของชีวมณฑล, 33 (4-5), 375-403
7. Lazcano, A. , & Miller, SL (1996). ต้นกำเนิดและวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตในยุคแรก: เคมีพรีไบโอติกโลกก่อนอาร์เอ็นเอและเวลา เซลล์, 85 (6), 793-798
8. McKenney, K. , & Alfonzo, J. (2016). ตั้งแต่พรีไบโอติกไปจนถึงโปรไบโอติก: วิวัฒนาการและหน้าที่ของการปรับเปลี่ยน tRNA ชีวิต, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF และ Szostak, JW (2010) ต้นกำเนิดของชีวิตเซลล์ มุมมองของ Cold Spring Harbor ในชีววิทยา, a002212
10. Silvestre, DA และ Fontanari, JF (2008) โมเดลแพ็คเกจและวิกฤตข้อมูลของวิวัฒนาการพรีไบโอติก วารสารชีววิทยาเชิงทฤษฎี, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P. , & Mavelli, F. (2015). แบบจำลองโปรโตเซลล์ในแหล่งกำเนิดชีวิตและชีววิทยาสังเคราะห์ ชีวิต, 5 (4), 1700–1702