Asal sel: teori utama (prokariotik dan eukariotik)

Asal sel: teori utama (prokariotik dan eukariotik)

asal sel tanggal kembali ke berumur lebih dari 3,5 miliar tahun. Cara unit fungsional ini berasal telah menggelitik rasa ingin tahu para ilmuwan selama beberapa abad.

Asal usul kehidupan itu sendiri disertai dengan asal usul sel. Di lingkungan primitif, kondisi lingkungan sangat berbeda dari apa yang kita amati saat ini. Konsentrasi oksigen praktis nol, dan atmosfer didominasi oleh komposisi gas lain.

Sumber: pixabay.com

Pengalaman yang berbeda di laboratorium telah membuktikan bahwa di bawah kondisi lingkungan awal Bumi, polimerisasi berbagai karakteristik biomolekul dari sistem organik adalah mungkin , yaitu: asam amino, gula, dll.

Sebuah molekul dengan kapasitas katalitik dan untuk mereplikasi dirinya sendiri (berpotensi, RNA) dapat tertutup dalam membran fosfolipid, membentuk sel prokariotik primitif pertama, yang berkembang mengikuti prinsip Darwin.

Demikian juga, asal usul sel eukariotik biasanya dijelaskan dengan menggunakan teori endosimbiosis. Ide ini mendukung bahwa bakteri besar menelan yang lebih kecil dan dengan berlalunya waktu berasal organel yang kita kenal sekarang (kloroplas dan mitokondria).

Indeks artikel

teori sel

Sel adalah istilah yang berasal dari bahasa latin cellula yang artinya berongga. Ini adalah unit fungsional dan struktural makhluk hidup. Istilah ini pertama kali digunakan pada abad ketujuh belas oleh peneliti Robert Hooke, ketika ia sedang memeriksa lembaran gabus di bawah cahaya mikroskop dan mengamati sejenis sel.

Dengan penemuan ini, lebih banyak ilmuwan – terutama kontribusi Theodor Schwann dan Matthias Schleiden – menjadi tertarik pada struktur mikroskopis materi hidup. Dengan cara ini, salah satu pilar terpenting biologi lahir: teori sel.

Teori ini menyatakan bahwa: (a) semua makhluk organik terdiri dari sel-sel; (b) sel adalah unit kehidupan; (c) reaksi kimia yang menopang kehidupan terjadi dalam batas-batas sel dan (d) semua kehidupan berasal dari kehidupan yang sudah ada sebelumnya.

Postulat terakhir ini diringkas dalam ungkapan terkenal Rudolf Virchow: ” omnis cellula e cellula ” – semua sel diturunkan dari sel lain yang sudah ada. Tapi dari mana asal sel pertama? Selanjutnya kita akan menjelaskan teori-teori utama yang berusaha menjelaskan asal mula struktur seluler pertama.

Evolusi sel prokariotik

Asal usul kehidupan adalah fenomena yang terkait erat dengan asal usul sel. Di bumi, ada dua bentuk kehidupan seluler: prokariota dan eukariota.

Kedua garis keturunan pada dasarnya berbeda dalam hal kompleksitas dan strukturnya, dengan eukariota menjadi organisme yang lebih besar dan lebih kompleks. Ini bukan untuk mengatakan bahwa prokariota itu sederhana – organisme prokariotik tunggal adalah kumpulan yang terorganisir dan rumit dari berbagai kompleks molekul.

Evolusi kedua cabang kehidupan adalah salah satu pertanyaan paling menarik di dunia biologi.

Secara kronologis, kehidupan diperkirakan berusia 3,5 hingga 3,8 miliar tahun. Ini muncul sekitar 750 juta tahun setelah pembentukan Bumi.

Evolusi bentuk kehidupan pertama: eksperimen Miller

Pada awal 1920-an gagasan bahwa makromolekul organik secara spontan bisa polimerisasi bawah kondisi lingkungan dari primitif suasana – dengan konsentrasi rendah oksigen dan konsentrasi tinggi CO 2 dan N 2 , serta serangkaian gas seperti H 2 , H 2 S, dan CO

Diasumsikan bahwa atmosfer primitif yang disediakan hipotetis dari atmosfer yang tereduksi, dengan sumber daya (seperti cahaya matahari atau sengatan listrik), mengatur kondisi untuk polimerisasi molekul organik.

Teori ini dikonfirmasi secara eksperimental pada tahun 1950 oleh peneliti Stanley Miller selama studi pascasarjananya.

Kebutuhan akan molekul dengan sifat menggandakan diri dan katalitik: dunia RNA

Setelah menentukan kondisi yang diperlukan untuk pembentukan molekul yang kita temukan di semua makhluk hidup, perlu untuk mengusulkan molekul primitif dengan kemampuan untuk menyimpan informasi dan mereplikasi dirinya sendiri – sel saat ini menyimpan informasi genetik di bawah bahasa empat nukleotida di molekul DNA .

Sampai saat ini, kandidat terbaik untuk molekul ini adalah RNA. Baru pada tahun 1980 peneliti Sid Altman dan Tom Cech menemukan kemampuan katalitik asam nukleat ini, termasuk polimerisasi nukleotida – langkah penting dalam evolusi kehidupan dan sel.

Karena alasan ini, diyakini bahwa kehidupan mulai menggunakan RNA sebagai materi genetik, dan bukan DNA seperti yang dilakukan sebagian besar bentuk saat ini.

Membatasi Hambatan Kehidupan: Fosfolipid

Setelah makromolekul dan molekul yang mampu menyimpan informasi dan mereplikasi dirinya telah diperoleh, keberadaan membran biologis diperlukan untuk menentukan batas antara makhluk hidup dan lingkungan ekstraseluler. Secara evolusi, langkah ini menandai asal mula sel pertama.

Sel pertama diyakini muncul dari molekul RNA yang tertutup oleh membran yang terdiri dari fosfolipid. Yang terakhir adalah molekul amfipatik, yang berarti bahwa satu bagian bersifat hidrofilik (larut dalam air) dan bagian lainnya bersifat hidrofobik (tidak larut dalam air).

Ketika fosfolipid dilarutkan dalam air, mereka memiliki kemampuan untuk secara spontan beragregasi dan membentuk lapisan ganda lipid. Kepala kutub dikelompokkan menghadap lingkungan berair dan ekor hidrofobik di dalam, bersentuhan satu sama lain.

Penghalang ini stabil secara termodinamika dan menciptakan kompartemen yang memungkinkan sel untuk memisahkan diri dari lingkungan ekstraseluler.

Dengan berlalunya waktu, RNA yang tertutup di dalam membran lipid melanjutkan perjalanan evolusinya mengikuti mekanisme Darwinian – hingga menghadirkan proses kompleks seperti sintesis protein.

Evolusi metabolisme

Setelah sel-sel primitif ini terbentuk, pengembangan jalur metabolisme yang kita kenal sekarang dimulai. Skenario yang paling masuk akal untuk asal usul sel pertama adalah lautan, sehingga sel pertama dapat memperoleh makanan dan energi langsung dari lingkungan.

Ketika makanan menjadi langka, varian sel tertentu pasti muncul dengan metode alternatif untuk mendapatkan makanan dan menghasilkan energi yang memungkinkan mereka untuk melanjutkan replikasi mereka.

Pembentukan dan pengendalian metabolisme sel sangat penting untuk kelangsungannya. Faktanya, jalur metabolisme utama secara luas dilestarikan di antara organisme saat ini. Misalnya, bakteri dan mamalia melakukan glikolisis.

Telah diusulkan bahwa pembangkitan energi berevolusi dalam tiga tahap, dimulai dengan glikolisis, diikuti oleh fotosintesis, dan diakhiri dengan metabolisme oksidatif.

Karena lingkungan primitif kekurangan oksigen, masuk akal bahwa reaksi metabolisme awal terjadi tanpa oksigen.

Evolusi sel eukariotik

Sel adalah prokariotik yang unik hingga sekitar 1,5 miliar tahun yang lalu. Pada tahap ini sel-sel pertama dengan nukleus dan organel sejati muncul. Teori yang paling menonjol dalam literatur yang menjelaskan evolusi organel adalah teori endosimbiosis ( endo berarti internal).

Organisme tidak terisolasi di lingkungan mereka. Komunitas biologis menghadirkan interaksi ganda, baik antagonis maupun sinergis. Istilah umum yang digunakan untuk interaksi yang berbeda adalah simbiosis – sebelumnya hanya digunakan untuk hubungan mutualistik antara dua spesies.

Interaksi antara organisme memiliki konsekuensi evolusioner yang penting, dan contoh paling dramatis dari hal ini adalah teori endosimbiotik, yang awalnya diusulkan oleh peneliti Amerika Lynn Margulis pada 1980-an.

Postulat teori endosimbiosis

Menurut teori ini, beberapa organel eukariotik – seperti kloroplas dan mitokondria – awalnya adalah organisme prokariotik yang hidup bebas. Pada titik tertentu dalam evolusi, prokariota ditelan oleh yang lebih besar, tetapi tidak dicerna. Sebaliknya, dia selamat dan terperangkap di dalam organisme yang lebih besar.

Selain bertahan hidup, waktu reproduksi antara kedua organisme disinkronkan, berhasil diturunkan ke generasi berikutnya.

Dalam kasus kloroplas, organisme yang ditelan menunjukkan semua mesin enzimatik untuk melakukan fotosintesis, memasok organisme yang lebih besar dengan produk reaksi kimia ini: monosakarida. Dalam kasus mitokondria, dipostulasikan bahwa prokariota yang ditelan bisa menjadi nenek moyang -proteobacteria.

Namun, identitas potensial dari organisme inang yang lebih besar adalah pertanyaan terbuka dalam literatur.

Organisme prokariotik yang tertelan kehilangan dinding selnya, dan sepanjang evolusi mengalami modifikasi terkait yang berasal dari organel cararn. Ini pada dasarnya adalah teori endosimbiosis.

Bukti untuk teori endosimbiosis

Saat ini ada beberapa fakta yang mendukung teori endosimbiosis, yaitu: (a) ukuran mitokondria dan kloroplas saat ini mirip dengan prokariota; (b) organel ini memiliki materi genetiknya sendiri dan mensintesis bagian dari protein, meskipun mereka tidak sepenuhnya independen dari nukleus dan (c) ada beberapa kesamaan biokimia antara kedua entitas biologis.

Keuntungan menjadi eukariotik

Evolusi sel eukariotik dikaitkan dengan serangkaian keunggulan dibandingkan prokariota. Peningkatan ukuran, kompleksitas dan kompartementalisasi memungkinkan evolusi cepat fungsi biokimia baru.

Setelah kedatangan sel eukariotik, muncul multiseluleritas. Jika sebuah sel “ingin” menikmati manfaat dari ukuran yang lebih besar, ia tidak dapat tumbuh begitu saja, karena permukaan sel harus besar dalam kaitannya dengan volumenya .

Dengan demikian, organisme dengan lebih dari satu sel dapat meningkatkan ukurannya dan mendistribusikan tugas di antara banyak sel yang menyusunnya.

Referensi

  1. Altstein, AD (2015). Hipotesis progen: dunia nukleoprotein dan bagaimana kehidupan dimulai. Biologi Langsung , 10 , 67.
  2. Anderson, PW (1983). Model yang disarankan untuk evolusi prebiotik: Penggunaan chaos. Prosiding National Academy of Sciences , 80 (11), 3386-3390.
  3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologi: Kehidupan di Bumi . pendidikan Pearson.
  4. Campbell, AN, & Reece, JB (2005). Biologi. Editorial Medica Panamericana.
  5. Gama, M. (2007). Biologi 1: Pendekatan Konstruktivis. Pendidikan Pearson.
  6. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Seleksi bertingkat dalam caral evolusi prebiotik: kompartemen dan pengaturan diri spasial. Asal Usul Kehidupan dan Evolusi Biosfer , 33 (4-5), 375-403.
  7. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). Asal usul dan evolusi awal kehidupan: kimia prebiotik, dunia pra-RNA, dan waktu. Sel , 85 (6), 793-798.
  8. McKenney, K., & Alfonzo, J. (2016). Dari prebiotik ke probiotik: Evolusi dan fungsi modifikasi tRNA. Hidup , 6 (1), 13.
  9. Schrum, JP, Zhu, TF, & Szostak, JW (2010). Asal usul kehidupan seluler. Perspektif Cold Spring Harbor dalam biologi , a002212.
  10. Silvestre, DA, & Fontanari, JF (2008). Model paket dan krisis informasi evolusi prebiotik. Jurnal biologi teoretis , 252 (2), 326-337.
  11. Stano, P., & Mavelli, F. (2015). Model Protosel dalam Asal Kehidupan dan Biologi Sintetis. Kehidupan , 5 (4), 1700-1702.