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 15506 раз

Авторизуйтесь, чтобы получить возможность оставлять комментарии

Случайные статьи

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

В песках Израиля обнаружен новый крупный вид пауков

12-10-2010 Просмотров:9897 Новости Зоологии Антоненко Андрей - avatar Антоненко Андрей

В песках Израиля обнаружен новый крупный вид пауков

В песчаных дюнах Sands of Samar на юге пустыни Арава учёные университета Хайфы-Ораним (University of Haifa-Oranim) обнаружили новый вид пауков, оказавшийся самым большим на Ближнем Востоке. Каким бы отвратительным в человеческом...

Долгая память работает на усталой энергии

08-03-2011 Просмотров:9849 Новости Нейробиологии Антоненко Андрей - avatar Антоненко Андрей

Долгая память работает на усталой энергии

Нейроны не могут самостоятельно оформить текущие переживания в долгую память. На помощь им приходят астроциты, которые снабжают нейроны дополнительным источником энергии. Нейроны головного мозгаНейрофизиологи прояснили важный этап формирования в мозге долговременной...

Найдены древнейшие млекопитающие юрского периода

14-08-2013 Просмотров:8701 Новости Палеонтологии Антоненко Андрей - avatar Антоненко Андрей

Найдены древнейшие млекопитающие юрского периода

Палеонтологи ломают голову над тем, в каком месте генеалогического древа млекопитающих следует разместить два новых чрезвычайно загадочных вида. Специалисты, которые провели анализ одного из ископаемых, пришли к выводу, что перед...

Особенности неандертальской охоты

27-01-2011 Просмотров:11418 Новости Антропологии Антоненко Андрей - avatar Антоненко Андрей

Особенности неандертальской охоты

Недавно отечественным ученым удалось проанализировать все особенности строения скелета неандертальцев. Результаты исследования говорят о том, что эти люди, скорее всего, хоть и жили группами, но охотились в одиночку. Видимо, именно...

Как акулы ухаживают за своей кожей

22-03-2011 Просмотров:12689 Новости Зоологии Антоненко Андрей - avatar Антоненко Андрей

Как акулы ухаживают за своей кожей

Акулы-лисицы, живущие на Филиппинах, регулярно навещают подводные рифы, чтобы почистить кожу от паразитов. Чисткой акул занимаются живущие на этих рифах губаны. Лисья акула и губан (фото Tonie S.)Зоологи из британского Бангорского...

top-iconВверх

© 2009-2022 Мир дикой природы на wwlife.ru. При использование материала, рабочая ссылка на него обязательна.