Еволюція клітин та тканин - Студопедія
З вивчення копалин залишків бактерій і ціано-бактерій припускають, що предковой клітинної формою була примітивна прокаріотична клітина, що виникла близько 3,5 x 10 9 років тому. Клітини цього для забезпечення свого існування та розмноження на початку використовували органічні молекули небіологічного походження. Першим актом у формуванні примітивних клітин було утворення мембрани, що оточувала речовину клітини.
Надалі у примітивних прокаріотичних клітин стали розвиватися механізми синтезу та енергетичного забезпечення. Припускають, що перші прокаріотичні клітини мали найпростіші каталітичні системи, внаслідок чого забезпечення їх енергією ґрунтувалося на бродінні. В подальшому окремі види прокаріотів переключилися з бродіння на дихання, що сприяло більш ефективному отриманню енергії. Таким чином, еволюційні зміни прокаріотів йшли по лінії розвитку у них різних метаболічних шляхів. Їх геном розвивався у напрямі формування «голих» молекул ДНК.
Еволюційні зміни еукаріотичних клітин йшли у напрямку збільшення різноманітності у формі, розмірах, структурі та функціях з одночасною компартменталізацією біохімічних систем і збереженням загального для всіх клітин аеробного метаболізму. Вважають, що еукаріотичні клітини виникли менше 1 млрд років тому з прокаріотів, причому для пояснення їх походження висунуто три гіпотези.
Відповідно до однієї з цих гіпотез (гіпотези клітинного симбіозу), яка є найбільш поширеною, припускають, що еукаріотична клітина є симбіотичною структурою, що складається з декількох клітин різних типів, об'єднаних загальноюклітинною мембраною. Зокрема, припускають, що пластиди клітин сучасних зелених рослин походять від бактерій, колишніх предками сучасних ціанобактерій і здатних до аеробного фотосинтезу, а мітохондрії еукаріотичних клітин ведуть початок від аеробних бактерій, які вступали в симбіоз з примітивними анеробними клітинами, до утворення клітин, здатних до існування в атмосфері кисню та використання кисню шляхом дихання. Щодо ядра припускають, що воно є рудиментом також якогось древнього внутрішньоклітинного симбіонту, який втратив після включення у вихідну клітину свою цитоплазму. На користь цієї гіпотези свідчать дані про симбіотичні взаємини деяких сучасних організмів. Наприклад, одноклітинна зелена водорість хлорела (Chlorella) мешкає у цитоплазмі зеленої парамеції (Paramecium bussaria). Через здатність до фотосинтезу вона забезпечує параметри поживними речовинами. Пластиди та мітохондрії містять власну систему генетичної інформації про синтез білків у вигляді ДНК, мРНК, рРНК, тРНК та відповідних ферментів. Для хлоропластів, мітохондрії та клітин-прокаріотів характерна подібність способів репродукції (всі вони однаково репродукуються шляхом простого поділу надвоє). Нарешті, мутації мітохондріальних генів залежні від мутацій ядерних генів.
Відповідно до іншої гіпотезою вважають, що еукаріотична клітина походить від прокаріотичної клітини, що містила кілька геномів, прикріплених до клітинної мембрани. В результаті інвагінацій клітинної мембрани утворювалися мезосоми, здатні першочергово до фотосинтезу. Однак надалі відбулася спеціалізація цих органел, внаслідок чого одна з них, втративши дихальну та фотосинтетичну функцію,розвинулася в ядро, інші, навпаки, розвинувши ці функції, стали мітохондріями у тварин та пластидами у рослин. На користь цієї гіпотези свідчать дані про подвійну будову мембран ядра, мітохондрії та пластид.
Відповідно до третьої гіпотези, заснованої на думці про те, що всі живі форми походять від предкових анаеробних ферментативних гетеротрофів, еукаріоти є сублінією безстінкових (анаеробних) прокаріотів, які розвинули здатність до ендоцитозу. За допомогою «заковтування» інших прокаріотів, які дали їм додаткові метаболічні здібності та які, зрештою, дегенерували в органели, примітивна клітина (уркаріот) стала еукаріотичною клітиною. Таким чином, прокаріоти давніші, простіші і примітивніші клітин-еукаріотів.
Відповідно до четвертої гіпотезою припускають, що еукаріотичні клітини виникли з прокаріотичної клітини, що містила багато геномів, які розпадалися на частини, що дали початок структурам з різними функціями. У подальшому йшло клонування структур зі подібними функціями, після чого вони покривалися подвійними мембранами, що призвело до утворення ядра, мітохондрії, а пізніше і мембранної мережі. На користь цієї гіпотези свідчать дані про схожість генетичного коду, що міститься в ядерній та мітохондріальній ДНК, а також про схожість у регуляції дихальної функції ядром та мітохондріями.
Як зазначено вище, симбіотична гіпотеза походження еукаріотів зараз найбільш популярна. Однак, поділяючи цю гіпотезу, не можна не відзначити, що мітохондрії і хлоропласти всупереч їх схожості з сучасними бактеріями-аеробами і ціанобактеріями (відповідно) все ж таки істотно відрізняються від них. Зокрема, у мітохондріях та хлоропластах набагато менше ДНК. Отже, тутМітохондрії та хлоропласти в ході еволюції зазнали значних змін у напрямку своїх розмірів.
Геном еукаріотичних клітин згодом розвивався у напрямку поєднання молекул ДНК з білками та формування хроматину та хромосом різної форми та в різній кількості. Спеціалізація хроматину проявилася у формуванні еухроматину та гетерохроматину, у формуванні аутосом та статевих хромосом. Що стосується кількості хромосом, то пояснити їхню еволюційну тенденцію поки важко, оскільки багато примітивних організмів містять у своїх клітинах більше хромосом, ніж організми, що займають вищі еволюційні щаблі. Однак, безсумнівно, що кількісні та структурні зміни каріо-типів протягом еволюції відігравали важливу роль у видоутворенні. Паралельно з цим відбувалося ускладнення структури та функції клітинних компонентів, розвиток регуляторних механізмів.
Безперечно еволюційне значення мітозу. Вважають, що точність поділу та розподілу хромосом в результаті мітозу є умовою, що забезпечує багатоклітинність. Проте походження самого мітозу немає достатніх пояснень. Припускають лише, що він розвинувся з примітивного мітозу, що є механізмом, при якому розходження реплікованих хромосом відбувалося після витягування і розриву веретена без руйнування ядерної мембрани (див. вище).
Пояснення еволюції тканин пов'язані зі складнощами, які зумовлені однаковою будовою тканин, що належать живим організмам, що знаходяться на різних щаблях еволюційних сходів. Наприклад, м'язові волокна членистоногих, деяких молюсків та хребетних мають однакову будову. Тим часом, ці організми філогенетично розділені дуже великими «відстанями». Аналогічна ситуація має місце і при порівняннітканин рослин із різних таксономічних груп.
Початки тканиноутворення в еволюційному плані вже простежуються у найпростіших організмів. Наприклад, у вольвоксу відзначається формування колоній, що складаються іноді більш ніж 50 000 клітин, причому частина клітин вже спеціалізована. Зокрема, клітини, що розташовуються на краях колоніальної форми, відповідальні за утворення нових колоній. У ціанобактерій при нерозбіжності клітин, що розділилися, утворюються клітинні нитки, в яких частина клітин спеціалізована на фіксації азоту, чим забезпечуються потреби в азоті та інших клітин.
Ідучи вгору еволюційними сходами, можна бачити, що у губок вже відзначається близько п'яти спеціалізованих типів клітин, спеціалізація яких пов'язана з виконанням різних функцій у процесі фільтрації води та поглинання відфільтрованих харчових частинок.
У кишковопорожнинних тіло складається з двох шарів - ектодерми і ентодерми, що є зовнішнім і внутрішнім епітеліальними шарами. Зовнішні епітеліальні клітини є кліками, що містять отруйну рідину, тоді як внутрішні епітеліальні клітини секретують травні ферменти і забезпечують травлення. Тому припускають, що першими сформувалися шари епітеліальних клітин та їх роль еволюції багатоклітинних аналогізується з роллю клітинних стінок і мембран одноклітинних організмів.
Значний внесок у розуміння еволюції тканин належить А. А. Заварзину (1886-1945), який вважав, що одні й самі чинники еволюції забезпечили як різноманітність організмів, а й одноманітність будови їх тканин. Подібність у будові тканин у філогенетично далеко віддалених тварин А. А. Заварзін називав законом паралельних рядів тканинної еволюції. Роботи А. А. Заварзіна та його учнівзаклали основи еволюційної гістології
Питання для обговорення
1. Наскільки велике значення методів дослідження у вивченні клітин? Які з цих методів ви знаєте?
2. Сформулюйте основні тези клітинної теорії. Як Ви вважаєте, яка роль цієї теорії у біології?
3. Чому клітину визначають як елементарну одиницю життя і в чому полягають докази того, що клітина дійсно є елементарною одиницею життя? Що є міжклітинні структури?
4. Назвіть два процеси, які спільні для всіх живих систем.
б. Назвіть принципові відмінності між клітинами-прокаріотами та клітинами-еукаріотами. Чи є одноклітинність ознакою прокаріотів?
6. Назвіть та охарактеризуйте компоненти мембранної системи клітин тварин. Чи є мембранна система у клітинах рослин?
7. Охарактеризуйте цитоплазматичний матрикс і клітинні органели. Що являє собою цитозоль? Чи є у клітин скелет? Як організований цитоскелет та які його компоненти?
8. Які структура та роль клітинного ядра? Чи є відмінності між ядрами клітин тварин та клітин рослин?
9. Які структура та функції мітохондрій? Чи всі клітини мають мітохондрії?
10. Сформулюйте визначення клітинного циклу та мітозу. З якою швидкістю протікають мітози у клітинах різних тканин?
11. Що являють собою лізосоми і яка їхня роль? Що станеться з клітинами, якщо лізосоми зазнають руйнування?
12. Яке значення ферментів у житті клітин? Чи всі білки є ферментами і в чому полягає їхня дія?
13. Які фази мітозу та сутність процесів, що відбуваються в ці фази?
14. У якій фазі відбувається поділ центроміру тавизволення сестринських хроматид?
15. Визначте, яка вагова частина ядра посідає хроматин клітини (приблизно), припускаючи, що діаметр ядра становить б мкм, а щільність 1,1 г/см" 3 ?
16. Вважаючи, що хромосоми людини складаються на 15% із ДНК, визначте масу всіх хромосом його диплоїдних клітин.
17. Що ви можете сказати про походження мітозу?
18. Що ви знаєте про елементарний склад клітин?
19. Що розуміють під біологічними молекулами?
20. Якою є структура білків і що ви знаєте про функції білків?
21. Як ви розумієте походження клітин-прокаріотів?
22. Як ви розумієте походження клітин-еукаріотів?
23. Яка ваша думка щодо розвитку геному еукаріотичних клітин?
24. Які причини загибелі клітин? Чи існує генетичний механізм, який контролює загибель клітин?
25. Що ви знаєте про епітеліальні тканини та їх функції?
26. Назвіть основні групи м'язової тканини та що становить основу їхньої класифікації?
27. Які основні клітинні елементи власне сполучних тканин?
28. Що таке нервова тканина та з яких компонентів вона складається?
29. Як ви уявляєте будову нервового волокна?
30. Чому кров та лімфу вважають тканинами?
31. Яка функціональна роль лімфоцитів?
32. Як ви розумієте походження клітин-прокаріотів та клітин-еукаріотів?
33. Чи застосовна еволюційна теорія до вчення про тканини?
Література
Альберте Ст, Брей Д., Льюїс Дж„ Рефф М., Роберте К., Вотсон Дж. Молекулярна біологія клітини. М: Світ. 1994. Т. 1. 615 стор; 1994. Т. 2. 540 стор.
Вермель Є. М. Історія вчення про клітину. М: Наука. 1970. 259 стор.
Kaufman Р. В.,Wu W. Handbook of Molecular and Cellular Methods in Biology and Medicine. CRC Press L. 1995. 496 pp. Lackie J. M„ Dow 3. A. The Dictionary of Cell Biology. Academic Press. 1995. 380 pp.
Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком:
Вимкніть adBlock! і оновіть сторінку (F5)дуже потрібно