ORIGINE DELLA CELLULA: PRINCIPALI TEORIE (PROCARIOTE ED EUCARIOTE) - BIOLOGIA - 2024

L' origine della cellula risale a più di 3,5 miliardi di anni fa. Il modo in cui hanno avuto origine queste unità funzionali ha suscitato la curiosità degli scienziati per diversi secoli.

L'origine della vita di per sé era accompagnata dall'origine delle cellule. In un ambiente primitivo, le condizioni ambientali erano molto diverse da quelle che osserviamo oggi. La concentrazione di ossigeno era praticamente zero e l'atmosfera era dominata da un'altra composizione di gas.

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Diverse esperienze in laboratorio hanno dimostrato che nelle condizioni ambientali iniziali della Terra è possibile la polimerizzazione di varie biomolecole caratteristiche dei sistemi organici, ovvero: aminoacidi, zuccheri, ecc.

Una molecola con capacità catalitica e di replicarsi (potenzialmente, un RNA) potrebbe essere racchiusa in una membrana fosfolipidica, formando le prime cellule procariotiche primitive, che si sono evolute secondo i principi darwiniani.

Allo stesso modo, l'origine della cellula eucariotica viene solitamente spiegata usando la teoria endosimbiotica. Questa idea sostiene che un grande batterio ne abbia inghiottito uno più piccolo e con il passare del tempo abbia dato origine agli organelli che conosciamo oggi (cloroplasti e mitocondri).

La teoria cellulare

Cellula è un termine che deriva dalla radice latina cellula, che significa cavo. Queste sono le unità funzionali e strutturali degli esseri viventi. Il termine fu usato per la prima volta nel XVII secolo dal ricercatore Robert Hooke, quando esaminava un foglio di sughero alla luce di un microscopio e osservava una specie di cellule.

Con questa scoperta, più scienziati - in particolare i contributi di Theodor Schwann e Matthias Schleiden - si sono interessati alla struttura microscopica della materia vivente. Nasce così uno dei pilastri più importanti della biologia: la teoria cellulare.

La teoria sostiene che: (a) tutti gli esseri organici sono costituiti da cellule; (b) le cellule sono l'unità di vita; (c) le reazioni chimiche che sostengono la vita avvengono entro i limiti della cellula e (d) tutta la vita proviene dalla vita preesistente.

Quest'ultimo postulato è riassunto nella famosa frase di Rudolf Virchow: "omnis cellula e cellula" - tutte le cellule derivano da altre cellule già esistenti. Ma da dove viene la prima cellula? Successivamente descriveremo le principali teorie che cercano di spiegare l'origine delle prime strutture cellulari.

Evoluzione della cellula procariotica

L'origine della vita è un fenomeno strettamente legato all'origine delle cellule. Sulla terra ci sono due forme cellulari di vita: procarioti ed eucarioti.

Entrambi i lignaggi differiscono fondamentalmente in termini di complessità e struttura, con gli eucarioti che sono organismi più grandi e complessi. Questo non vuol dire che i procarioti siano semplici: un singolo organismo procariotico è un agglomerato organizzato e intricato di vari complessi molecolari.

L'evoluzione di entrambi i rami della vita è una delle domande più eccitanti nel mondo della biologia.

Cronologicamente, si stima che la vita abbia dai 3,5 ai 3,8 miliardi di anni. Questo è apparso circa 750 milioni di anni dopo la formazione della Terra.

Evoluzione delle prime forme di vita: gli esperimenti di Miller

All'inizio degli anni '20 l'idea che le macromolecole organiche potessero polimerizzare spontaneamente nelle condizioni ambientali di un'atmosfera primitiva - con basse concentrazioni di ossigeno e alte concentrazioni di CO ₂ e N ₂ , nonché una serie di di gas come H ₂ , H ₂ S e CO.

Si presume che l'ipotetica atmosfera primitiva fornisse un ambiente riducente, che insieme a una fonte di energia (come la luce solare o le scariche elettriche), creava le condizioni favorevoli alla polimerizzazione delle molecole organiche.

Questa teoria è stata confermata sperimentalmente nel 1950 dal ricercatore Stanley Miller durante i suoi studi universitari.

La necessità di una molecola con proprietà autoreplicanti e catalitiche: il mondo dell'RNA

Dopo aver specificato le condizioni necessarie per la formazione delle molecole che troviamo in tutti gli esseri viventi, è necessario proporre una molecola primitiva con la capacità di immagazzinare informazioni e replicarsi - le cellule attuali immagazzinano le informazioni genetiche in un linguaggio di quattro nucleotidi nella molecola di DNA.

Ad oggi, il miglior candidato per questa molecola è l'RNA. Fu solo nel 1980 che i ricercatori Sid Altman e Tom Cech scoprirono le capacità catalitiche di questo acido nucleico, inclusa la polimerizzazione dei nucleotidi, un passaggio fondamentale nell'evoluzione della vita e delle cellule.

Per questi motivi, si ritiene che la vita abbia iniziato a utilizzare l'RNA come materiale genetico e non il DNA come fa la stragrande maggioranza delle forme attuali.

Limitare le barriere della vita: fosfolipidi

Una volta ottenute le macromolecole e la molecola capace di immagazzinare informazioni e replicarsi, è necessaria l'esistenza di una membrana biologica per determinare i confini tra l'ambiente vivente e quello extracellulare. Dal punto di vista evolutivo, questo passaggio ha segnato l'origine delle prime cellule.

Si ritiene che la prima cellula sia nata da una molecola di RNA racchiusa da una membrana composta da fosfolipidi. Questi ultimi sono molecole anfipatiche, il che significa che una porzione è idrofila (solubile in acqua) e l'altra porzione è idrofobica (non solubile in acqua).

Quando i fosfolipidi vengono disciolti in acqua, hanno la capacità di aggregarsi spontaneamente e formare un doppio strato lipidico. Le teste polari sono raggruppate di fronte all'ambiente acquoso e le code idrofobe all'interno, a contatto tra loro.

Questa barriera è termodinamicamente stabile e crea un compartimento che permette di separare la cellula dall'ambiente extracellulare.

Con il passare del tempo, l'RNA racchiuso nella membrana lipidica ha continuato il suo percorso evolutivo seguendo i meccanismi darwiniani - fino a presentare processi complessi come la sintesi proteica.

Evoluzione del metabolismo

Una volta formate queste cellule primitive, iniziò lo sviluppo delle vie metaboliche che conosciamo oggi. Lo scenario più plausibile per l'origine delle prime cellule è l'oceano, quindi le prime cellule sono state in grado di ottenere cibo ed energia direttamente dall'ambiente.

Quando il cibo scarseggiava, alcune varianti cellulari dovevano apparire con metodi alternativi per ottenere cibo e generare energia che permettesse loro di continuare la loro replicazione.

La generazione e il controllo del metabolismo cellulare sono essenziali per la sua continuità. Infatti, le principali vie metaboliche sono ampiamente conservate tra gli organismi attuali. Ad esempio, sia un batterio che un mammifero eseguono la glicolisi.

È stato proposto che la generazione di energia si sia evoluta in tre fasi, iniziando con la glicolisi, seguita dalla fotosintesi e terminando con il metabolismo ossidativo.

Poiché l'ambiente primitivo mancava di ossigeno, è plausibile che le prime reazioni metaboliche ne abbiano fatto a meno.

Evoluzione della cellula eucariotica

Le cellule erano unicamente procariotiche fino a circa 1,5 miliardi di anni fa. In questa fase apparvero le prime cellule con un vero nucleo e gli stessi organelli. La teoria più importante in letteratura che spiega l'evoluzione degli organelli è la teoria endosimbiotica (endo significa interno).

Gli organismi non sono isolati nel loro ambiente. Le comunità biologiche presentano interazioni multiple, sia antagonistiche che sinergiche. Un termine generico utilizzato per diverse interazioni è simbiosi, precedentemente utilizzato solo per le relazioni mutualistiche tra due specie.

Le interazioni tra organismi hanno importanti conseguenze evolutive e l'esempio più drammatico di ciò è la teoria endosimbiotica, inizialmente proposta dal ricercatore americano Lynn Margulis negli anni '80.

Postulati della teoria endosimbiotica

Secondo questa teoria, alcuni organelli eucariotici, come i cloroplasti ei mitocondri, erano inizialmente organismi procarioti a vita libera. Ad un certo punto dell'evoluzione, un procariota è stato inghiottito da uno più grande, ma non è stato digerito. Invece, è sopravvissuto ed è rimasto intrappolato all'interno dell'organismo più grande.

Oltre alla sopravvivenza, i tempi di riproduzione tra i due organismi sono stati sincronizzati, riuscendo a passare alle generazioni successive.

Nel caso dei cloroplasti, l'organismo inghiottito mostrava tutti i macchinari enzimatici per effettuare la fotosintesi, fornendo all'organismo più grande i prodotti di queste reazioni chimiche: i monosaccaridi. Nel caso dei mitocondri, si ipotizza che il procariota inghiottito possa essere un α-proteobatterio ancestrale.

Tuttavia, la potenziale identità dell'organismo ospite più grande è una questione aperta in letteratura.

L'organismo procariotico inghiottito ha perso la sua parete cellulare e nel corso dell'evoluzione ha subito le modifiche pertinenti che hanno dato origine agli organelli moderni. Questa è, in sostanza, la teoria endosimbiotica.

Evidenze per la teoria endosimbiotica

Attualmente ci sono molteplici fatti che supportano la teoria dell'endosimbiosi, vale a dire: (a) la dimensione dei mitocondri e dei cloroplasti attuali è simile a quella dei procarioti; (b) questi organelli hanno il proprio materiale genetico e sintetizzano parte delle proteine, sebbene non siano completamente indipendenti dal nucleo e (c) ci sono più somiglianze biochimiche tra entrambe le entità biologiche.

Vantaggi dell'essere eucarioti

L'evoluzione delle cellule eucariotiche è associata a una serie di vantaggi rispetto ai procarioti. L'aumento di dimensioni, complessità e compartimentalizzazione ha consentito la rapida evoluzione di nuove funzioni biochimiche.

Dopo l'arrivo della cellula eucariotica, è arrivata la multicellularità. Se una cellula "vuole" godere dei benefici di una dimensione maggiore, non può semplicemente crescere, poiché la superficie cellulare deve essere grande rispetto al suo volume.

Pertanto, gli organismi con più di una cellula sono stati in grado di aumentare le loro dimensioni e distribuire i compiti tra le più cellule che li compongono.

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