NGUỒN GỐC CỦA TẾ BÀO: CÁC LÝ THUYẾT CHÍNH (SINH VẬT NHÂN SƠ VÀ SINH VẬT NHÂN CHUẨN) - SINH HỌC - 2025

Các nguồn gốc của tế bào ngày trở lại hơn 3,5 tỷ năm tuổi. Cách thức mà các đơn vị chức năng này bắt nguồn đã khơi dậy sự tò mò của các nhà khoa học trong nhiều thế kỷ.

Nguồn gốc của sự sống đi kèm với nguồn gốc của tế bào. Trong môi trường nguyên thủy, các điều kiện môi trường rất khác so với những gì chúng ta quan sát được ngày nay. Thực tế, nồng độ oxy bằng không, và bầu khí quyển bị chi phối bởi một thành phần khí khác.

Nguồn: pixabay.com

Các kinh nghiệm khác nhau trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra rằng trong các điều kiện môi trường ban đầu của Trái đất, có thể xảy ra quá trình trùng hợp các phân tử sinh học khác nhau đặc trưng của các hệ hữu cơ, cụ thể là: axit amin, đường, v.v.

Một phân tử có khả năng xúc tác và tự tái tạo (có khả năng là RNA) có thể được bao bọc trong màng phospholipid, tạo thành các tế bào nhân sơ sơ khai đầu tiên, tiến hóa theo các nguyên tắc của Darwin.

Tương tự như vậy, nguồn gốc của tế bào nhân thực thường được giải thích bằng thuyết nội cộng sinh. Ý tưởng này ủng hộ rằng một vi khuẩn lớn đã nhấn chìm một vi khuẩn nhỏ hơn và với thời gian trôi qua đã tạo ra các bào quan mà chúng ta biết ngày nay (lục lạp và ty thể).

Lý thuyết tế bào

Tế bào là một thuật ngữ xuất phát từ tiếng Latinh cellula, có nghĩa là rỗng. Đây là những đơn vị chức năng và cấu trúc của sinh vật. Thuật ngữ này lần đầu tiên được sử dụng vào thế kỷ 17 bởi nhà nghiên cứu Robert Hooke, khi ông đang xem xét một tấm nút chai dưới ánh sáng của kính hiển vi và quan sát một loại tế bào.

Với khám phá này, nhiều nhà khoa học hơn - đặc biệt là sự đóng góp của Theodor Schwann và Matthias Schleiden - trở nên quan tâm đến cấu trúc vi mô của vật chất sống. Bằng cách này, một trong những trụ cột quan trọng nhất của sinh học đã ra đời: lý thuyết tế bào.

Lý thuyết cho rằng: (a) mọi sinh vật hữu cơ đều được tạo thành từ các tế bào; (b) tế bào là đơn vị của sự sống; (c) các phản ứng hóa học duy trì sự sống xảy ra trong giới hạn của tế bào và (d) mọi sự sống đều bắt nguồn từ sự sống có từ trước.

Định đề cuối cùng này được tóm tắt trong cụm từ nổi tiếng của Rudolf Virchow: "omnis cellula e cellula" - tất cả các tế bào đều có nguồn gốc từ các tế bào khác đã tồn tại. Nhưng tế bào đầu tiên đến từ đâu? Tiếp theo, chúng tôi sẽ mô tả các lý thuyết chính nhằm giải thích nguồn gốc của các cấu trúc tế bào đầu tiên.

Sự tiến hóa của tế bào nhân sơ

Nguồn gốc của sự sống là hiện tượng gắn liền với nguồn gốc của tế bào. Trên trái đất, có hai dạng sống tế bào: sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực.

Cả hai dòng họ khác nhau về cơ bản về độ phức tạp và cấu trúc của chúng, với sinh vật nhân chuẩn là những sinh vật lớn hơn và phức tạp hơn. Điều này không có nghĩa là sinh vật nhân sơ là đơn giản - một sinh vật nhân sơ đơn lẻ là sự kết tụ có tổ chức và phức tạp của các phức hợp phân tử khác nhau.

Sự tiến hóa của cả hai nhánh của sự sống là một trong những câu hỏi thú vị nhất trong thế giới sinh học.

Theo trình tự thời gian, tuổi thọ được ước tính là 3,5 đến 3,8 tỷ năm tuổi. Điều này xuất hiện khoảng 750 triệu năm sau khi Trái đất hình thành.

Sự phát triển của các dạng sống ban đầu: Thí nghiệm của Miller

Vào đầu những năm 1920, ý tưởng rằng các đại phân tử hữu cơ có thể trùng hợp một cách tự phát trong các điều kiện môi trường của bầu khí quyển nguyên thủy - với nồng độ oxy thấp và nồng độ CO ₂ và N _{2 cao} , cũng như một loạt các của các khí như H ₂ , H ₂ S và CO.

Người ta cho rằng bầu khí quyển nguyên thủy giả định đã cung cấp một môi trường khử, cùng với một nguồn năng lượng (như ánh sáng mặt trời hoặc phóng điện), đã tạo ra các điều kiện có lợi cho sự trùng hợp của các phân tử hữu cơ.

Lý thuyết này đã được xác nhận bằng thực nghiệm vào năm 1950 bởi nhà nghiên cứu Stanley Miller trong quá trình nghiên cứu sau đại học của ông.

Sự cần thiết của một phân tử có đặc tính tự sao chép và xúc tác: thế giới của RNA

Sau khi xác định các điều kiện cần thiết để hình thành các phân tử mà chúng ta tìm thấy ở tất cả các sinh vật, cần đề xuất một phân tử nguyên thủy có khả năng lưu trữ thông tin và tự tái tạo - các tế bào hiện lưu trữ thông tin di truyền dưới ngôn ngữ bốn các nucleotit trong phân tử ADN.

Cho đến nay, ứng cử viên tốt nhất cho phân tử này là RNA. Mãi đến năm 1980, các nhà nghiên cứu Sid Altman và Tom Cech mới khám phá ra khả năng xúc tác của axit nucleic này, bao gồm cả quá trình trùng hợp nucleotide - một bước quan trọng trong sự tiến hóa của sự sống và tế bào.

Vì những lý do này, người ta tin rằng sự sống đã bắt đầu sử dụng RNA làm vật liệu di truyền, chứ không phải DNA như đại đa số các dạng hiện nay.

Hạn chế các rào cản của cuộc sống: phospholipid

Khi đã có được các đại phân tử và phân tử có khả năng lưu trữ thông tin và tự tái tạo, thì sự tồn tại của màng sinh học là cần thiết để xác định ranh giới giữa môi trường sống và môi trường ngoại bào. Theo tiến hóa, bước này đánh dấu nguồn gốc của các ô đầu tiên.

Tế bào đầu tiên được cho là hình thành từ một phân tử RNA được bao bọc bởi một màng tạo thành từ phospholipid. Loại thứ hai là các phân tử lưỡng tính, có nghĩa là một phần là kỵ nước (hòa tan trong nước) và phần còn lại kỵ nước (không hòa tan trong nước).

Khi phospholipid được hòa tan trong nước, chúng có khả năng kết tụ một cách tự phát và tạo thành lớp kép lipid. Các đầu phân cực được nhóm hướng ra môi trường nước và các đuôi kỵ nước bên trong, tiếp xúc với nhau.

Hàng rào này ổn định về mặt nhiệt động học và tạo ra một ngăn cho phép tế bào được ngăn cách với môi trường ngoại bào.

Theo thời gian, RNA được bao bọc trong màng lipid tiếp tục con đường tiến hóa của nó theo cơ chế của Darwin - cho đến khi nó trình bày các quá trình phức tạp như tổng hợp protein.

Sự phát triển của quá trình trao đổi chất

Khi những tế bào nguyên thủy này được hình thành, sự phát triển của các con đường trao đổi chất mà chúng ta biết ngày nay bắt đầu. Kịch bản hợp lý nhất cho nguồn gốc của các tế bào đầu tiên là đại dương, vì vậy các tế bào đầu tiên có thể lấy thức ăn và năng lượng trực tiếp từ môi trường.

Khi thức ăn trở nên khan hiếm, một số biến thể tế bào nhất định phải xuất hiện với các phương pháp thay thế để lấy thức ăn và tạo ra năng lượng cho phép chúng tiếp tục sao chép.

Việc tạo ra và kiểm soát sự trao đổi chất của tế bào là cần thiết cho sự liên tục của nó. Trên thực tế, các con đường trao đổi chất chính được bảo tồn rộng rãi giữa các sinh vật hiện nay. Ví dụ, cả vi khuẩn và động vật có vú đều thực hiện quá trình đường phân.

Người ta đã đề xuất rằng quá trình tạo năng lượng phát triển theo ba giai đoạn, bắt đầu bằng quá trình đường phân, tiếp theo là quang hợp và kết thúc bằng quá trình chuyển hóa oxy hóa.

Vì môi trường nguyên thủy thiếu ôxy, nên các phản ứng trao đổi chất ban đầu không có ôxy là điều hợp lý.

Sự tiến hóa của tế bào nhân thực

Tế bào là sinh vật nhân sơ duy nhất cho đến khoảng 1,5 tỷ năm trước. Ở giai đoạn này, những tế bào đầu tiên có nhân thực sự và các bào quan tự xuất hiện. Lý thuyết nổi bật nhất trong các tài liệu giải thích sự tiến hóa của các bào quan là lý thuyết nội cộng sinh (endo có nghĩa là nội chất).

Các sinh vật không bị cô lập trong môi trường của chúng. Các cộng đồng sinh vật có nhiều tác động qua lại, cả đối kháng và hiệp đồng. Một thuật ngữ chung được sử dụng cho các tương tác khác nhau là cộng sinh - trước đây chỉ được sử dụng cho các mối quan hệ tương hỗ giữa hai loài.

Sự tương tác giữa các sinh vật có những hậu quả tiến hóa quan trọng, và ví dụ ấn tượng nhất về điều này là lý thuyết nội cộng sinh, được nhà nghiên cứu người Mỹ Lynn Margulis đề xuất ban đầu vào những năm 1980.

Định đề của thuyết nội cộng sinh

Theo lý thuyết này, một số bào quan của sinh vật nhân thực - chẳng hạn như lục lạp và ti thể - ban đầu là những sinh vật nhân sơ sống tự do. Tại một thời điểm nào đó trong quá trình tiến hóa, một prokaryote bị nuốt chửng bởi một sinh vật lớn hơn, nhưng không bị tiêu hóa. Thay vào đó, anh ta sống sót và bị mắc kẹt trong một sinh vật lớn hơn.

Ngoài sự tồn tại, thời gian sinh sản giữa hai sinh vật được đồng bộ hóa, quản lý để truyền cho các thế hệ kế tiếp.

Trong trường hợp của lục lạp, sinh vật bị hấp thụ thể hiện tất cả các bộ máy enzym để thực hiện quá trình quang hợp, cung cấp cho sinh vật lớn hơn sản phẩm của các phản ứng hóa học này: monosaccharid. Trong trường hợp của ty thể, người ta cho rằng prokaryote bị nhấn chìm có thể là vi khuẩn α-proteobacteria tổ tiên.

Tuy nhiên, danh tính tiềm năng của sinh vật chủ lớn hơn là một câu hỏi mở trong tài liệu.

Sinh vật nhân sơ bị nhấn chìm đã mất thành tế bào, và trong suốt quá trình tiến hóa đã trải qua những sửa đổi thích hợp tạo nên các bào quan hiện đại. Về bản chất, đây là lý thuyết nội cộng sinh.

Minh chứng cho lý thuyết nội cộng sinh

Hiện tại có nhiều dữ kiện ủng hộ lý thuyết về nội sinh, đó là: (a) kích thước của ti thể và lục lạp hiện tại tương tự như ở sinh vật nhân sơ; (b) các bào quan này có vật chất di truyền riêng và tổng hợp một phần protein, mặc dù chúng không độc lập hoàn toàn với nhân và (c) có nhiều điểm giống nhau về mặt sinh hóa giữa cả hai thực thể sinh vật.

Ưu điểm của việc là sinh vật nhân chuẩn

Sự tiến hóa của tế bào nhân thực gắn liền với hàng loạt ưu điểm so với tế bào nhân sơ. Sự gia tăng về kích thước, độ phức tạp và sự phân chia ngăn cho phép sự tiến hóa nhanh chóng của các chức năng sinh hóa mới.

Sau sự xuất hiện của tế bào nhân thực, sự đa bào xuất hiện. Nếu một tế bào "muốn" tận hưởng những lợi ích của kích thước lớn hơn, nó không thể đơn giản phát triển, vì bề mặt tế bào phải lớn so với thể tích của nó.

Do đó, các sinh vật có nhiều tế bào có thể tăng kích thước của chúng và phân phối nhiệm vụ giữa nhiều tế bào tạo ra chúng.

Người giới thiệu

1. Altstein, AD (2015). Giả thuyết về progene: thế giới nucleoprotein và sự sống bắt đầu như thế nào. Trực tiếp sinh học, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). Mô hình đề xuất cho quá trình tiến hóa tiền sinh học: Sử dụng sự hỗn loạn. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Sinh học: Sự sống trên Trái đất. Giáo dục Pearson.
4. Campbell, AN, & Reece, JB (2005). Sinh học. Biên tập Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). Sinh học 1: Cách tiếp cận theo chủ nghĩa kiến ​​tạo. Giáo dục Pearson.
6. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Chọn lọc đa cấp trong các mô hình tiến hóa tiền sinh học: ngăn và sự tự tổ chức trong không gian. Nguồn gốc sự sống và sự tiến hóa của sinh quyển, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). Nguồn gốc và sự tiến hóa ban đầu của sự sống: hóa học tiền sinh học, thế giới tiền RNA và thời gian. Ô, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K. và Alfonzo, J. (2016). Từ prebiotics đến probiotics: Sự tiến hóa và chức năng của các sửa đổi tRNA. Đời sống, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF, & Szostak, JW (2010). Nguồn gốc của sự sống tế bào. Các quan điểm của Cold Spring Harbor trong sinh học, a002212.
10. Silvestre, DA & Fontanari, JF (2008). Các mô hình gói và cuộc khủng hoảng thông tin của quá trình tiến hóa tiền sinh học. Tạp chí sinh học lý thuyết, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P., & Mavelli, F. (2015). Mô hình Protocells trong Nguồn gốc Sự sống và Sinh học Tổng hợp. Đời sống, 5 (4), 1700–1702.