Мир дикой природы на wwlife.ru
Вы находитесь здесь:Новости>>Новости Эволюции>>Энергетика клетки объяснила тайну появления сложных форм жизни

Вторник, 26 Октябрь 2010 00:00

Энергетика клетки объяснила тайну появления сложных форм жизни

Автор 

Более миллиарда лет прошло от появления одноклеточных до "изобретения" ядра клетки и рождения ряда других новшеств. Только тогда открылась дорога к первым многоклеточным существам, давшим начало трём царствам животных, растений и грибов. Европейские учёные выдвинули новое объяснение этого преображения, идущее вразрез с существовавшими до сих пор представлениями.

Эукариоты сумели завоевать мир  в первую очередь потому, что  придумали митохондрии –  специализированные  энергетические узлы клетки (на  этой модели они показаны  розовым) (фото Donald Bliss,  Sriram Subramaniam, National  Library of Medicine, NIH) Эукариоты сумели завоевать мир в первую очередь потому, что придумали митохондрии – специализированные энергетические узлы клетки (на этой модели они показаны розовым) (фото Donald Bliss, Sriram Subramaniam, National Library of Medicine, NIH) Прокариоты (доядерные одноклеточные) родились приблизительно 3,8 миллиарда лет назад. Более продвинутые по строению организмы — эукариоты (их клетки содержат ядро) — возникли более двух миллиардов лет назад. И от них порядка одного миллиарда лет назад уже стартовала эволюция многоклеточных существ.

Длина митохондрий колеблется примерно от 1 до 70 микрометров,  а диаметр – от 0,5 до 10 мкм (иллюстрация Odra Noel)Длина митохондрий колеблется примерно от 1 до 70 микрометров, а диаметр – от 0,5 до 10 мкм (иллюстрация Odra Noel)Теперь два таких создания – Ник Лейн (Nick Lane) из университетского колледжа Лондона (UCL) и Уильям Мартин (William Martin) из института ботаники университета Дюссельдорфа – разработали оригинальную теорию. По ней выходит, что ключом к появлению эукариот стало не изобретение ядра (как рассуждали учёные 70 лет), а возникновение митохондрий.

Принято считать, что сначала от прокариот родились более совершенные ядерные клетки, полагавшиеся на старые энергетические механизмы, а уже позже новобранцы обзавелись митохондриями. Последним отводилась важная роль в дальнейшей эволюции эукариот, но не роль краеугольного камня, лежащего в самой её основе.

"Мы показали, что первый вариант не сработает. Для развития сложности клетки ей необходимы митохондрии", — поясняет Мартин. "Наша гипотеза опровергает традиционную точку зрения, будто переход к эукариотическим клеткам требовал только лишь надлежащих мутаций", — вторит ему Лейн.

По теории симбиогенеза, митохондрии (так же как и пластиды) первоначально были отдельными одноклеточными организмами. Их захватили другие клетки, превратив в эндосимбионтов. Постепенно "квартиранты" утратили способность к самостоятельному существованию и превратились в органоиды.

Уильям и Ник говорят, что этот удачный шаг случился лишь один раз за всю историю эволюции. Вместо того чтобы стать паразитом и эксплуатировать клетку-хозяина, убивая её, предок митохондрии и приютившая его клетка пошли на сотрудничество.

Митохондрии внутри клетки (флуоресцируют зелёным). На врезках:  Мартин (слева) и Лейн. Детали нового исследования можно найти в  статье в Nature и пресс-релизе UCL (фотографии Douglas Kline,  molevol.de, nick-lane.net). Митохондрии внутри клетки (флуоресцируют зелёным). На врезках: Мартин (слева) и Лейн. Детали нового исследования можно найти в статье в Nature и пресс-релизе UCL (фотографии Douglas Kline, molevol.de, nick-lane.net). Они развивались совместно, при этом эндосимбионт постепенно оттачивал одно умение — синтез АТФ. Внутренняя клетка уменьшалась в размерах и передавала часть своих второстепенных генов в ядро. Так митохондрии оставили у себя лишь ту часть исходной ДНК, что была им необходима для работы в качестве "живой электростанции".

Число митохондрий (показаны красным) в одной клетке варьируется от  единственного экземпляра (в основном в одноклеточных эукариотах) до  двух тысяч (например, в клетках печени человека)  (иллюстрация Odra Noel)Число митохондрий (показаны красным) в одной клетке варьируется от единственного экземпляра (в основном в одноклеточных эукариотах) до двух тысяч (например, в клетках печени человека) (иллюстрация Odra Noel)Появление митохондрий в плане энергетики можно сравнить с изобретением ракеты после телеги, ведь ядерные клетки в среднем в тысячу раз больше по объёму, чем клетки без ядра.

Последние, казалось бы, тоже могут расти в размерах и сложности устройства (тут есть единичные яркие примеры). Но на этом пути крохотных существ ждёт подвох: по мере геометрического роста быстро падает отношение площади поверхности к объёму.

Между тем простые клетки генерируют энергию при помощи покрывающей их мембраны. Так что в крупной прокариотической клетке может быть полным-полно места для новых генов, но ей просто не хватит энергии для синтеза белков по этим "инструкциям".

Простое увеличение складок внешней мембраны положение не особо спасает (хотя и такие клетки известны). С данным способом наращивания мощности увеличивается и число ошибок в работе энергетической системы. В клетке накапливаются нежелательные молекулы, способные её погубить.

Митохондрии — блестящее изобретение природы. Увеличивая их количество, можно наращивать энергетические возможности клетки без роста её внешней поверхности. При этом каждая митохондрия обладает ещё и встроенными механизмами контроля и ремонта.

И ещё плюс инновации: митохондриальная ДНК невелика и очень экономна. Для её копирования не требуется много ресурсов. А вот бактериям, чтобы нарастить свои энергетические возможности, остаётся разве что создавать множество копий полного своего генома. Но такое развитие быстро приводит к энергетическому тупику.

Сравнение энергетики разных клеток  и их схемы. a) – средний прокариот  (Escherichia), b) – очень крупный  прокариот (Thiomargarita) и  (c) средний эукариот (Euglena).  На диаграммах показаны (сверху вниз):  мощность (ватты) на грамм клетки (d),  мощность (фемтоватты) на один ген (e)  и мощность (пиковатты) на гаплоидный  геном (f) (иллюстрации Nick Lane,  William Martin/Nature).  Сравнение энергетики разных клеток и их схемы. a) – средний прокариот (Escherichia), b) – очень крупный прокариот (Thiomargarita) и (c) средний эукариот (Euglena). На диаграммах показаны (сверху вниз): мощность (ватты) на грамм клетки (d), мощность (фемтоватты) на один ген (e) и мощность (пиковатты) на гаплоидный геном (f) (иллюстрации Nick Lane, William Martin/Nature)Авторы работы посчитали, что средняя эукариотическая клетка теоретически может нести в 200 тысяч раз больше генов, чем средняя бактерия. Эукариот можно представить как библиотеку с большим числом полок — заполняй книгами вволю. Ну а более протяжённый геном — это основа для дальнейшего совершенствования строения клетки и её метаболизма, появления новых регуляторных цепей.

По вычислениям Лейна и Мартина, на каждый ген своего наследственного кода эукариоты располагают на четыре-пять порядков большим запасом энергии, чем бактерии. С этой точки зрения бактерии находятся на дне энергетической пропасти, выбраться из которой они не могут.

Переход клеток к выработке энергии с помощью митохондрий можно сравнить с промышленной революцией. Вместо того чтобы линейно наращивать размер мануфактуры, клетки пошли на качественное изменение: они построили "завод" и поставили в него ряды специализированных "станков".

Потому, несмотря на миллиарды лет существования, прокариоты и поныне остались относительно простыми существами, а эукариоты давным-давно изобрели новые средства передачи сигналов между клетками и шагнули в сторону многоклеточных форм жизни. Нас с вами.

Теория европейских учёных, кстати, может пригодиться и в оценке вероятности существования сложных форм жизни на других мирах.

Дело в том, что примеры поглощения бактериями других клеток — крайне редки. Это означает, что, однажды возникнув, жизнь на многие эоны может задержаться на простой одноклеточной стадии. До тех пор, пока счастливый случай не поможет ей изобрести внутриклеточные энергетические фабрики. "Основные принципы являются универсальными. Даже инопланетянам необходимы митохондрии", — заключает Лейн. 


 

Источник: MEMBRANA


 

 

Дополнительная информация

  • Эон: Докембрий (4,6 млрд лет назад - 542 млн лет назад), Архей (3,9 - 2,5 млрд лет назад)
  • Эра: Неоархей (2,8 -2,5 млрд лет)
Прочитано 13195 раз

Авторизуйтесь, чтобы получить возможность оставлять комментарии

Случайные статьи

  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
Предыдущая Следующая

Тайна «волшебных кругов» Намибии раскрыта?

31-03-2013 Просмотров:8424 Новости Зоологии Антоненко Андрей - avatar Антоненко Андрей

Тайна «волшебных кругов» Намибии раскрыта?

От Анголы до Южной Африки простирается полоса степей и пустынь протяжённостью около двух тысяч километров. Словно оспины, на ней встречаются голые участки почвы, часто окружённые высокой травой. Местным жителям они...

Когда Земля чуть не избавилась от жизни

26-11-2013 Просмотров:6890 Новости Палеонтологии Антоненко Андрей - avatar Антоненко Андрей

Когда Земля чуть не избавилась от жизни

Примерно 252 млн лет назад жизнь на Земле едва не исчезла. Свыше 90% морских и 70% сухопутных видов вымерли. Деревья, травы, рептилии, рыбы, насекомые, микроорганизмы — всех коснулось это бедствие.  Земля...

Биологи открыли насекомых, выращивающих антибиотики для своих нужд

20-01-2017 Просмотров:3313 Новости Зоологии Антоненко Андрей - avatar Антоненко Андрей

Биологи открыли насекомых, выращивающих антибиотики для своих нужд

Гусеницы хлопчатниковых совок выработали необычную стратегию защиты от паразитов и болезней, "приручив" бактерий, которые вырабатывают антибиотики в их кишечнике в обмен на питательные вещества, говорится в статье, опубликованной в журнале Cell Chemical Biology. "Мы долгое время подозревали, что...

Тираннозавры обладали кошачьим "шестым чувством"

31-03-2017 Просмотров:3019 Новости Палеонтологии Антоненко Андрей - avatar Антоненко Андрей

Тираннозавры обладали кошачьим "шестым чувством"

Дасплетозавры, ближайшие родичи тираннозавров, оказались лишены толстых губ и перьев более знаменитых родичей, но при этом они обладали особым кошачьим "шестым чувством", позволявшим им очень чутко ощущать вибрации и давление, говорится в статье, опубликованной...

Европейцы получили бледную кожу не от неандертальцев

27-09-2012 Просмотров:8499 Новости Антропологии Антоненко Андрей - avatar Антоненко Андрей

Европейцы получили бледную кожу не от неандертальцев

Люди, которые построили Стоунхендж пять тысяч лет назад, вероятно, имели тот же самый бледный цвет лица, что и многие жители сегодняшней Великобритании. Фото Siiri KumariСудя по новому исследованию, нынешние британцы и...

top-iconВверх

© 2009-2019 Мир дикой природы на wwlife.ru. При использование материала, рабочая ссылка на него обязательна.