Hücrelerin evrimi

Hücrelerin evrimi, hücrelerin evrimsel kökenini ve daha sonraki evrimsel gelişimini ifade eder. Hücreler ilk olarak en az 3,8 milyar yıl önce, dünya oluştuktan yaklaşık 750 milyon yıl sonra ortaya çıktı.

Hücrelerin kökeni, Dünya'daki yaşamın evriminde en önemli adımdı. Hücrenin doğuşu, prebiyotik kimyadan modern hücrelere benzeyen bölünmüş birimlere geçişi işaret ediyordu. Modern hücrelerin tüm tanımlarını yerine getiren canlı varlıklara nihai geçiş, doğal seleksiyonla etkin bir şekilde evrimleşme yeteneğine bağlıydı. Bu geçişe Darwinci geçiş adı verilmiştir.

Hayata kopyalayıcı moleküller açısından bakıldığında, hücreler iki temel koşulu yerine getirir: dış ortamdan korunma ve biyokimyasal aktivitenin sınırlandırılması. İlk koşul, karmaşık molekülleri değişen ve bazen agresif bir ortamda kararlı tutmak için gereklidir; ikincisi biyolojik karmaşıklığın evrimi için temeldir. Enzimleri kodlayan serbestçe yüzen moleküller hücreler içinde değilse, enzimler otomatik olarak komşu kopyalayıcı moleküllere fayda sağlayacaktır.Bölünmemiş yaşam formlarında yayılmanın sonuçları "varsayılan olarak parazitlik" olarak görülebilir. Bu nedenle, daha iyi enzimi üreten 'şanslı' molekülün yakın komşularına göre kesin bir avantajı olmadığından, kopyalayıcı moleküller üzerindeki seçim baskısı daha düşük olacaktır. Molekül bir hücre zarı ile çevriliyse, kodlanan enzimler sadece kopyalayıcı molekülün kendisi tarafından kullanılabilir olacaktır. Bu molekül, kodladığı enzimlerden benzersiz bir şekilde faydalanacak, bireyselliği artıracak ve böylece doğal seçilimi hızlandıracaktır.Bölünme, amino asitlerin katalizör olarak fosforik asitle ısıtılmasıyla gözlemlenen proteinoidler tarafından oluşturulan hücre benzeri sferoidlerden başlamış olabilir. Hücre zarlarının sağladığı temel özelliklerin çoğunu taşırlar. RNA moleküllerini çevreleyen proteinoid bazlı protohücreler, Dünya'daki ilk hücresel yaşam formları olabilirdi.

Bir başka olasılık da, antik kıyı sularının kıyılarının, ilk hücreyi meydana getirmek için gerekli sayısız deneye yardımcı olan bir mamut laboratuvarı olarak hizmet etmiş olabileceğidir. Kıyıda kırılan dalgalar, kabarcıklardan oluşan narin bir köpük oluşturur. Sığ kıyı suları da daha sıcak olma eğilimindedir, bu da molekülleri buharlaşma yoluyla daha da yoğunlaştırır. Çoğunlukla sudan oluşan baloncuklar hızlı patlama eğilimindeyken, yağlı baloncuklar çok daha kararlıdır ve bu önemli deneyleri gerçekleştirmek için belirli balona daha fazla zaman kazandırır. Fosfolipid, prebiyotik denizlerde yaygın olan yaygın bir yağlı bileşiğe iyi bir örnektir.

Bu seçeneklerin her ikisi de hücre oluşturmak için çok miktarda kimyasal ve organik materyalin varlığını gerektirir. Bu büyük malzeme topluluğu, büyük olasılıkla bilim adamlarının şimdilerde prebiyotik çorba dediği şeyden geldi. Prebiyotik çorba, oluştuktan sonra yeryüzünde ortaya çıkan her organik bileşiğin toplanmasını ifade eder. Bu çorba, büyük olasılıkla erken hücreler oluşturmak için gerekli bileşikleri içeriyordu.

Fosfolipitler, bir ucunda hidrofilik bir baş ve diğer ucunda hidrofobik bir kuyruktan oluşur. Hücre zarlarının yapımı için önemli bir özelliğe sahiptirler; iki katmanlı bir zar oluşturmak için bir araya gelebilirler. Tek katmanlı bir lipit kabarcığı yalnızca yağ içerebilir ve suda çözünür organik molekülleri barındırmaya elverişli değildir, ancak iki katmanlı bir lipit kabarcığı su içerebilir ve modern hücre zarının muhtemel bir öncüsüdür.  Eğer ana balonunun bütünlüğünü artıran bir protein ortaya çıkarsa, o balonun bir avantajı vardı.  Baloncuklar patladığında ve deney sonuçlarını çevreleyen ortama saldığında ilkel üreme gerçekleşmiş olabilir. Ortama yeterli miktarda doğru bileşik salındığında, ilk prokaryotların, ökaryotların ve çok hücreli organizmaların gelişimi sağlanabilir.

Ökaryotik hücre, simbiyotik bir prokaryotik hücreler topluluğundan evrimleşmiş gibi görünüyor. Mitokondri ve kloroplastlar gibi DNA taşıyan organeller, sırasıyla, hücrenin geri kalanının en azından bir kısmının atadan kalma bir arke prokaryot hücresinden türetilmiş olabileceği, eski simbiyotik oksijen soluyan bakterilerin ve siyanobakterilerin kalıntılarıdır. Bu kavram genellikle endosimbiyotik teori olarak adlandırılır. Hidrojenozom gibi organellerin mitokondrinin kökeninden önce mi yoksa tam tersi mi olduğu konusunda hala tartışmalar var: ökaryotik hücrelerin kökeni için hidrojen hipotezine bakın.

Bu varsayılan topluluktan mevcut mikrop soylarının nasıl evrimleştiği şu anda çözülmemiştir, ancak genom bilimindeki büyük yeni keşif akışıyla teşvik edilen biyologlar tarafından yoğun araştırmalara tabidir.

Modern kanıtlar, erken hücresel evrimin modern biyolojiden kökten farklı bir biyolojik alanda meydana geldiğini göstermektedir. Bu antik alemde, DNA'nın şu anki genetik rolünün büyük ölçüde RNA tarafından doldurulduğu ve katalizin de büyük ölçüde RNA (yani enzimlerin ribozim karşılıkları tarafından) aracılık ettiği düşünülmektedir. Bu kavram RNA dünyası hipotezi olarak bilinir.

Bu hipoteze göre, antik RNA dünyası, protein sentezinin evrimi ve ardından birçok hücresel ribozim katalizörünün protein bazlı enzimlerle değiştirilmesi yoluyla modern hücresel dünyaya geçiş yaptı. Proteinler, farklı kimyasal özelliklere sahip çeşitli amino asit yan zincirlerinin varlığından dolayı katalizde RNA'dan çok daha esnektir. Mevcut hücrelerdeki RNA kaydı, bu RNA dünyasından bazı 'moleküler fosilleri' koruyor gibi görünüyor. Bu RNA fosilleri, ribozomun kendisini (burada RNA peptit bağı oluşumunu katalize eder), modern ribozim katalizörü RNase P'yi ve RNA'ları içerir.

Neredeyse evrensel genetik kod, RNA dünyası için bazı kanıtları korur. Örneğin, transfer RNA'ları, onları amino asitlerle yükleyen enzimler (protein sentezindeki ilk adım) ve bu bileşenlerin genetik kodu tanıma ve kullanma biçimleriyle ilgili son çalışmalar, evrensel genetik kodun, evrensel genetik kodun, evrimden önce ortaya çıktığını önermek için kullanılmıştır. protein sentezi için modern amino asit aktivasyon yönteminin evrimi.

Eşeyli üremenin evrimi, tek hücreli ökaryotlar dahil ökaryotların ilkel ve temel bir özelliği olabilir. Bir filogenetik analize dayanarak, Dacks ve Roger, tüm ökaryotların ortak atasında fakültatif cinsiyetin mevcut olduğunu öne sürdüler. Hofstatter ve Lehr, aksi kanıtlanmadıkça tüm ökaryotların cinsel olarak kabul edilebileceği hipotezini destekleyen kanıtları gözden geçirdi. Eşeyli üreme, RNA genomlu (RNA dünyası) erken protohücrelerde ortaya çıkmış olabilir. Başlangıçta, her bir protohücre muhtemelen bir RNA genomu (birden fazla değil) içerirdi çünkü bu, büyüme oranını maksimize eder. Bununla birlikte, RNA replikasyonunu bloke eden veya ribozim fonksiyonuna müdahale eden RNA'da hasarların meydana gelmesi, üreme kabiliyetini geri kazanmak için başka bir protohücre ile periyodik olarak kaynaşmayı avantajlı hale getirecektir. Bu erken, basit genetik iyileşme biçimi, mevcut segmentli tek sarmallı RNA virüslerinde meydana gelene benzer (bkz. influenza A virüsü). Dubleks DNA, genetik materyalin baskın formu haline geldikçe, genetik iyileşme mekanizması, günümüzde çoğu türde bulunan daha karmaşık özyozlaşma rekombinasyonu sürecine dönüştü. Bu nedenle, eşeyli üreme, hücrelerin evriminin erken dönemlerinde ortaya çıkmış ve sürekli bir evrimsel geçmişe sahip olmuş gibi görünmektedir.

Modern hücrelerin ana soylarının evrimsel kökenleri tartışılsa da, hücresel yaşamın üç ana soyu (domain adı verilen) arasındaki birincil ayrımlar kesin olarak belirlenmiştir.

Bu üç alanın her birinde, DNA replikasyonu, transkripsiyon ve translasyon, ayırt edici özellikler gösterir. Ribozomal RNA'ların üç versiyonu ve genellikle her ribozomal proteinin, yaşamın her alanı için bir tane olmak üzere üç versiyonu vardır. Protein sentezi cihazında Bu üç versiyonu kanonik desen olarak adlandırılır ve bu kanonik desen varlığı üç etki bir tanımlama için temel teşkil etmektedir - Bakteriler, Archaea ve ökaryotlarının (veya Eukaryota) - şu anda var olan hücre.

Erken evrimi yeniden yapılandırmak için küçük alt birimli ribozomal RNA (SSU rRNA) geni gibi tek bir gene veya birkaç gene güvenmek yerine, bilimsel çaba tam genom dizilerini analiz etmeye kaydı.

Yalnızca SSU rRNA'ya dayanan evrim ağaçları, erken ökaryot evriminin olaylarını doğru bir şekilde yakalamaz ve ilk çekirdekli hücrelerin ataları hala belirsizdir. Örneğin, ökaryot mayanın tam genomunun analizi, genlerinin çoğunun bakteriyel genlerle arkelerden daha yakından ilişkili olduğunu gösterir ve şimdi arkelerin ökaryotların basit progenitörleri olmadığı açıktır. SSU rRNA'ya ve diğer genlerin sınırlı örneklerine dayanan önceki bulgular.

Bir hipotez, ilk çekirdekli hücrenin, metabolizmanın farklı yönlerini yürütmek için birbirleriyle simbiyotik bir ilişki kurmuş olan, belirgin biçimde farklı iki antik prokaryotik (çekirdeksiz) türden ortaya çıktığıdır. Bu simbiyozun bir ortağının bir bakteri hücresi, diğerinin ise bir arke hücresi olduğu ileri sürülmektedir. Bu simbiyotik ortaklığın, çekirdeğin öncüsü olan zara bağlı bir iç yapıya sahip bir kimerik veya hibrit hücre oluşturmak için ortakların hücresel füzyonu yoluyla ilerlediği varsayılmaktadır. Bu şemadaki bir sonraki aşama, her iki ortak genomun çekirdeğe aktarılması ve birbirleriyle füzyonuydu. Çekirdekli hücrelerin kökeni için bu hipotezin çeşitli varyasyonları önerilmiştir. Diğer biyologlar bu kavrama karşı çıkıyor ve topluluk metabolizması temasını, erken yaşayan toplulukların mevcut hücrelere birçok farklı varlıktan oluşacağı ve genetik materyallerini mevcut mikroplardan daha kapsamlı bir şekilde paylaşacakları fikrini vurguluyor.