Эволюция клетки

Эволюция первичной клетки

Земля с момента возникновения в Солнечной системе претерпевала разные состояния своего космического развития. Поэтому, помимо определенных геохронологических этапов формирования земной коры и органического мира, выделяют стадии качественного развития нашей планеты.
Установлено, что образование Земли как космического тела произошло приблизительно 4,5–5 млрд лет назад. Самые древние осадочные породы образовались на Земле 3,4–3,8 млрд лет назад, и в них уже находились следы первых живых существ. Поэтому считают, что жизнь на Земле возникла более 3,5 млрд лет назад.

Важнейшим импульсом к появлению жизни было образование молекул белков и ДНК или ДНК-подобных макромолекул. Далее на протяжении примерно первых 2 млрд лет или более в процессе биологической эволюции происходили непрерывные преобразования функций живой клетки; ее питания, размножения и структурной организации, имевшие важное значение для последующего развития живых форм. Главнейшими этапами эволюции живых организмов стали: автотрофное питание, в частности фотосинтез; аэробное дыхание; эукариотическая клеточная организация; половое размножение и многоклеточность.

Наиболее древней клеточной формой была, вероятно, примитивная прокариотическая клетка, возникшая около 3,5 млрд лет тому назад. Клетки этого типа вначале использовали для своего существования и размножения органические молекулы небиологического происхождения из так называемого «первичного бульона». Непрерывный рост гетеротрофных примитивных живых клеток постепенно привел к истощению пищевых ресурсов. В этих условиях появившаяся у некоторых клеток способность самостоятельно (автотрофно) синтезировать пищу с помощью энергии Солнца из неорганических веществ – воды и углекислого газа – давала огромное преимущество. Это событие относят к числу ароморфозов в развитии жизни.

Возникновение фотосинтеза у примитивных прокариот – крупный успех (ароморфоз) в развитии жизни, достигнутый на ранних этапах эволюции организмов.

Дальнейшее усложнение клетки
В дальнейшем у примитивных прокариотических клеток стали развиваться механизмы синтеза и энергетического обеспечения. Так, среди древних прокариот выделились цианобактерии (синезеленые водоросли), способные к фотосинтезу, то есть обладавшие фототрофной системой поглощения углекислого газа при их обеспечении солнечной энергией. У клетки появились особые внутриклеточные системы, способствующие осуществлению процессов синтеза органических соединений и послужившие основой для второго важного шага эволюции (ароморфоза) – развития аэробного типа обмена веществ. До этого необходимую им энергию клетки, вероятно, получали путем брожения.

Брожение – это процесс бескислородного ферментативного расщепления органических веществ. В метаболическом процессе брожение, как и гликолиз, считается малоэффективным способом получения энергии, поскольку в результате его большая часть энергии углеродных соединений остается неиспользованной. В процессе аэробного (кислородного) дыхания происходит полный распад углеродных соединений до первоначальных минеральных веществ – воды и углекислого газа – с выделением большого количества энергии. С появлением процесса фотосинтеза в атмосферу стал поступать свободный кислород. Это привело к тому, что некоторые клетки перешли от системы брожения и гликолиза к системе кислородного клеточного дыхания, что способствовало более эффективному извлечению энергии.

Таким образом, эволюция примитивных прокариотических клеток шла в направлении появления организмов с развитием различных типов метаболизма (обмена веществ). Напротив, эволюция эукариотических клеток шла в направлении увеличения разнообразия форм клетки, ее размеров, внутренней структуры и функций биохимических систем при сохранении общего для всех клеток аэробного метаболизма.

Считается, что эукариотические клетки возникли из прокариотических более 1 млрд лет назад.

Формирование кислородсодержащей атмосферы, делающей возможным дыхание, было постепенным и очень медленным процессом. Существует мнение, что именно продолжительность этого процесса могла быть причиной длительного разрыва во времени – более 2 млрд лет – между возникновением прокариот, эукариот и появлением многоклеточных организмов.

Важнейшим шагом в эволюции эукариотических клеток является возникновение митоза. Вероятно, именно митоз с его точным разделением и распределением хромосом между дочерними клетками и точной передачей наследственных свойств сделал возможным появление многоклеточности.

С возникновением многоклеточности появилась дифференциация клеток. Например, шаровидная колония водоросли вольвокс (диаметром 1 мм) насчитывает десятки тысяч клеток, похожих друг на друга. Однако они неодинаковы: большинство – мелкие, не способные к дальнейшему делению, являются вегетативными; среди них присутствуют один-два десятка более крупных, репродуктивных клеток, служащих для вегетативного размножения (образующих внутри шара дочерние шаровые колонии). Кроме того, в колонии вольвокса имеются и специальные половые клетки: одни образуют мужские гаметы, а другие – женские. Со временем разнообразие клеток многоклеточных организмов существенно возросло, стали образовываться специализированные клетки и различные ткани.

Вольвокс
Вольвокс (Volvox globator): А – внешний вид колонии с дочерними шарами внутри; Б – часть колонии; 1 – вегетативные клетки; 2 – женские гаметы; 3 – зигота; 4 – формирование мужских гамет

Выход организмов из водной среды на сушу способствовал дальнейшей дифференциации эукариот. Обозначились различия и между животными и растительными клетками, хотя общий план их строения одинаков.

В растительной клетке есть ядро и все органоиды, свойственные и животной клетке: ЭПС, рибосомы, митохондрии, аппарат Гольджи. Вместе с тем она характеризуется существенными особенностями строения, отличаясь от животной клетки следующими признаками: 1) прочной клеточной стенкой значительной толщины; 2) особыми органоидами – пластидами; 3) развитой системой вакуолей, в значительной мере обусловливающих осмотические свойства клеток. Существенные отличия животных клеток от растительных наблюдаются лишь в их покровах. Клетка покрыта только плазмалеммой, хотя у многих существуют различные дополнительные структуры, усложняющие строение клеточного покрова, обеспечивающие усиление его защитной функции (гликостили, тегументы, чешуйки и др.). Другим существенным отличием является наличие гликокаликса.

Ткани многоклеточного организма

У всех многоклеточных организмов – растений и животных – клетки организованы в ткани, ткани – в органы, органы – в системы органов. Каждая из этих систем представляет собой целостную структуру, работающую для поддержания жизнедеятельности данного организма как биосистемы.
Обычно у многоклеточных организмов имеются группы клеток, сходных по происхождению, одинаковых по строению и выполняемым функциям. Они расположены рядом друг с другом, связаны между собой межклеточным веществом и специализированы для выполнения определенных функций. Такие группы клеток называют тканями.

Ткани возникли в ходе эволюционного развития органического мира вместе с появлением многоклеточности, так как специализация клеток и группирование их в специализированные ткани и органы способствуют лучшему обеспечению жизнедеятельности целостного многоклеточного организма.
В процессе эволюции у живых организмов сформировались различные ткани. Обычно у животных различают четыре группы тканей: эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную. У растений групп тканей больше: покровная, ассимиляционная, проводящая, образовательная (меристема), запасающая, выделительная, воздухоносная и механическая.

Некоторые ткани приобретали новые, необычные свойства. Например, нервная ткань электрического ската выполняет функцию электрозарядного устройства, а часть мышечной ткани этой хрящевой рыбы в процессе эволюции превратилась в мощные электрические аккумуляторы.
Несмотря на большое разнообразие форм, клетки разных типов обладают удивительным сходством своей структуры и функциональных особенностей.

Типы тканей животных и растений
Типы тканей животных (А) и растений (Б): 1 – эпителиальная; 2 – мышечная; 3 – соединительная; 4 – нервная; 5 – основная; 6 – проводящая; 7 – покровная; 8 – механическая

Таким образом, клетка, появившаяся в процессе эволюции миллиарды лет назад, приобрела характер биосистемы, представляющей собой жизнь. В течение последующих многих миллионов лет клетка не только усложнилась, но и, создав специализированные ткани, оказалась способной жить и активно функционировать в составе многоклеточных организмов, оставаясь основной структурной единицей жизни.