μονοκύτταρος οργανισμός του οποίου το κύτταρο στερείται πυρήνα και άλλα οργανίδια συνδεδεμένα με μεμβράνη From Wikipedia, the free encyclopedia
Προκαρυώτης ή προκαρυωτικό κύτταρο (prokaryote ή prokaryote)[1] είναι ένας μονοκύτταρος οργανισμός του οποίου το κύτταρο στερείται πυρήνα και άλλα οργανίδια συνδεδεμένα με μεμβράνη [2] Η λέξη προκαρυώτης προέρχεται από την αρχαία ελληνική γλώσσα πρό- και κάρυον 'καρύδι, πυρήνας'.[3][4] Στο σύστημα δύο αυτοκρατοριών (υπερβασιλείων) που προέκυψε από το έργο του Édouard Chatton, οι προκαρυώτες ταξινομήθηκαν στην αυτοκρατορία Prokaryota.[5] Αλλά στο σύστημα των τριών επικρατειών (three-domain system), με βάση τη μοριακή ανάλυση, οι προκαρυώτες χωρίζονται σε δύο επικράτειες: Βακτήρια ( πρώην Ευβακτήρια (Eubacteria)) και Αρχαία (πρώην Αρχαιοβακτήρια (Archaebacteria)). Οι οργανισμοί με πυρήνες τοποθετούνται σε μια τρίτη επικράτεια, Ευκαρυώτες (Eukaryota).[6] Οι προκαρυώτες εξελίχθηκαν πριν από τους ευκαρυώτες και στερούνται πυρήνων, μιτοχόνδρια ή τα περισσότερα από τα άλλα διακριτά οργανίδια που χαρακτηρίζουν το ευκαρυωτικό κύτταρο. Κάποτε θεωρήθηκε ότι τα προκαρυωτικά κυτταρικά συστατικά δεν ήταν κλειστά μέσα στο κυτταρόπλασμα εκτός από μια εξωτερική κυτταρική μεμβράνη, αλλά βακτηριακά μικροδιαμερίσματα (bacterial microcompartments), τα οποία πιστεύοταν ότι είναι οιονεί οργανίδια που περικλείονται σε πρωτεϊνικά κελύφη (όπως ο κλωβός πρωτεΐνης ενκαψουλίνης), που έχουν ανακαλυφθεί,[7][8] μαζί με άλλα προκαρυωτικά οργανίδια.[9] Ενώ είναι μονοκύτταροι, ορισμένοι προκαρυώτες, όπως τα κυανοβακτήρια, μπορεί να σχηματίσουν αποικίες που συγκρατούνται μαζί από βιομεμβράνες (biofilms) και μεγάλες αποικίες μπορούν να δημιουργήσουν πολυστρωματικά μικροβιακά στρώματα . Άλλα, όπως τα μυξοβακτήρια (myxobacteria), έχουν πολυκυτταρικά στάδια στους κύκλους ζωής.[10] Οι προκαρυώτες είναι αφυλετικοί, και αναπαράγονται μέσω δυαδικής σχάσης χωρίς καμία σύντηξη γαμετών, αν και μπορεί να πραγματοποιηθεί και μέσω οριζόντιας μεταφοράς γονιδίου. Οι μοριακές μελέτες έχουν δώσει πληροφορίες για την εξέλιξη και τις αλληλεπιδράσεις των τριών επικρατειών της ζωής.[11] Η διαίρεση μεταξύ προκαρυωτών και ευκαρυωτών αντανακλά την ύπαρξη δύο πολύ διαφορετικών επιπέδων κυτταρικής οργάνωσης. Μόνο τα ευκαρυωτικά κύτταρα έχουν έναν πυρήνα με περίβλημα που περιέχει το χρωμοσωμικό του DNA και άλλα χαρακτηριστικά οργανίδια συνδεδεμένα με μεμβράνη, συμπεριλαμβανομένων των μιτοχονδρίων. Οι διακριτοί τύποι των προκαρυωτών περιλαμβάνουν ακραιόφιλα (extremophiles)και μεθανογόνα (methanogens). Αυτά είναι κοινά σε ορισμένα ακραία περιβάλλοντα.[2]
Η διάκριση μεταξύ προκαρυωτών και ευκαρυωτών καθιερώθηκε σταθερά από τους μικροβιολόγους Roger Stanier και C. B. van Niel στην εργασία τους του 1962 "Η έννοια ενός βακτηρίου"[12] Αυτό το άρθρο παραθέτει το βιβλίο του Édouard Chatton του 1937 Τίτλοι και επιστημονικές εργασίες[13] για τη χρήση αυτών των όρων και την αναγνώριση της διάκρισης. Ένας λόγος για αυτήν την ταξινόμηση ήταν ότι αυτό που τότε ονομαζόταν συχνά γαλαζοπράσινα φύκια (τώρα ονομαζόμενα κυανοβακτήρια) δεν θα ταξινομούνταν ως φυτά αλλά θα ομαδοποιούνταν με τα βακτήρια.
Οι προκαρυώτες έχουν έναν προκαρυωτικό κυτταροσκελετό που είναι πιο πρωτόγονος από αυτόν των ευκαρυωτών. Εκτός από τα ομόλογα της ακτίνης και της τουμπουλίνης (MreB και FtsZ), το ελικοειδώς διαταγμένο δομικό στοιχείο του μαστιγίου, η μαστιγίνη (lagellin), είναι μία από τις πιο σημαντικές κυτταροσκελετικές πρωτεΐνες βακτηρίων, καθώς παρέχει δομικά υπόβαθρα της χημειοτάξης, της βασικής κυτταρικής φυσιολογικής απόκρισης των βακτηρίων. Τουλάχιστον ορισμένοι προκαρυώτες περιέχουν επίσης ενδοκυτταρικές δομές που μπορούν να θεωρηθούν ως πρωτόγονα οργανίδια. Μεμβρανώδη οργανίδια (ή ενδοκυτταρικές μεμβράνες) είναι γνωστά σε ορισμένες ομάδες προκαρυωτών, όπως κενοτόπια ή μεμβρανικά συστήματα αφιερωμένα σε ειδικές μεταβολικές ιδιότητες, όπως φωτοσύνθεση, ή η χημειολιθοτροφία. Επιπλέον, ορισμένα είδη περιέχουν επίσης μικροδιαμερίσματα που περικλείονται από υδατάνθρακες, τα οποία έχουν διακριτούς φυσιολογικούς ρόλους (π.χ. καρβοξυσώματα ή κενοτόπια αερίων). Οι περισσότεροι προκαρυώτες είναι μεταξύ 1 μm και 10 μm, αλλά μπορεί να ποικίλουν σε μέγεθος από 0,2 μm (Mycoplasma genitalium) έως 750 μm (Thiomagarita namibiensis ).
| Προκαρυωτική κυτταρική δομή | Περιγραφή |
|---|---|
| Μαστίγιο (δεν είναι πάντα παρόν) | Μακριά μαστιγοειδής προεξοχή που βοηθά την κυτταρική κίνηση που χρησιμοποιείται τόσο από τα θετικά, όσο και από τα αρνητικά κατά Gram βακτήρια. |
| Κυτταρική μεμβράνη | Περιβάλλει το κυτταρόπλασμα του κυττάρου και ρυθμίζει τη ροή των ουσιών μέσα και έξω από το κύτταρο. |
| Κυτταρικό τοίχωμα (εκτός από τα γένη Mycoplasma και Thermoplasma) | Εξωτερικό κάλυμμα των περισσότερων κυττάρων που προστατεύει το βακτηριακό κύτταρο και του δίνει σχήμα. |
| Κυτταρόπλασμα | Μια ουσία που μοιάζει με γέλη που αποτελείται κυρίως από νερό που περιέχει επίσης ένζυμα, άλατα, κυτταρικά συστατικά και διάφορα οργανικά μόρια. |
| Ριβόσωμα | Κυτταρικές δομές υπεύθυνες για την παραγωγή πρωτεϊνών. |
| Πυρηνοειδές | Περιοχή του κυτταροπλάσματος που περιέχει το μοναδικό μόριο DNA του προκαρυωτή. |
| Γλυκοκάλυκας (μόνο σε ορισμένους τύπους προκαρυωτών) | Ένα κάλυμμα γλυκοπρωτεΐνης-πολυσακχαρίτη που περιβάλλει τις κυτταρικές μεμβράνες. |
| Εγκλεισμοί | Οι εγκλεισμοί όπως ριβόσωμα και μεγαλύτερες μάζες διάσπαρτες στην κυτταροπλασματική μήτρα. |
Τα προκαρυωτικά κύτταρα έχουν διάφορα σχήματα. τα τέσσερα βασικά σχήματα βακτηρίων είναι:[14]
Το αρχαίο Haloquadratum έχει επίπεδα τετράγωνα κελιά.[15]
Τα βακτήρια και τα αρχαία αναπαράγονται μέσω αγενούς αναπαραγωγής, συνήθως με διχοτόμηση (βιολογία). Γενετική ανταλλαγή και ανασυνδυασμός εξακολουθούν να συμβαίνουν, αλλά αυτή είναι μια μορφή οριζόντιας μεταφοράς γονιδίου και δεν είναι μια διαδικασία αντιγραφής, που περιλαμβάνει απλώς τη μεταφορά DNA μεταξύ δύο κυττάρων, όπως στην βακτηριακή σύζευξη.
Η μεταφορά DNA μεταξύ προκαρυωτικών κυττάρων συμβαίνει σε βακτήρια και αρχαία, αν και έχει μελετηθεί κυρίως σε βακτήρια. Στα βακτήρια, η μεταφορά γονιδίων γίνεται με τρεις διαδικασίες. Αυτά είναι (1) μεταφορά με τη μεσολάβηση βακτηριακού ιού (βακτηριοφάγος), (2) με σύζευξη μέσω πλασμιδίου και (3) με φυσικό μετασχηματισμό. Η μεταφορά βακτηριακών γονιδίων από βακτηριοφάγο φαίνεται να αντανακλά ένα περιστασιακό σφάλμα κατά τη διάρκεια της ενδοκυτταρικής συναρμολόγησης των σωματιδίων του ιού, παρά μια προσαρμογή των βακτηρίων του ξενιστή. Η μεταφορά του βακτηριακού DNA είναι υπό τον έλεγχο των γονιδίων του βακτηριοφάγου και όχι των βακτηριακών γονιδίων. Η σύζευξη στο καλά μελετημένο σύστημα της Εσερίχια κόλι ελέγχεται από πλασμιδικά γονίδια και είναι μια προσαρμογή για τη διανομή αντιγράφων ενός πλασμιδίου από έναν βακτηριακό ξενιστή σε έναν άλλο. Σπάνια κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, ένα πλασμίδιο μπορεί να ενσωματωθεί στο βακτηριακό χρωμόσωμα του ξενιστή και στη συνέχεια να μεταφέρει μέρος του βακτηριακού DNA του ξενιστή σε άλλο βακτήριο. Η διαμεσολαβούμενη από πλασμίδιο μεταφορά του βακτηριακού DNA του ξενιστή (σύζευξη) φαίνεται επίσης να είναι μια τυχαία διαδικασία παρά μια βακτηριακή προσαρμογή.
Ο φυσικός βακτηριακός μετασχηματισμός περιλαμβάνει τη μεταφορά DNA από ένα βακτήριο σε άλλο μέσω του μέσου που παρεμβάλλεται. Σε αντίθεση με τη μεταγωγή και τη σύζευξη, ο μετασχηματισμός είναι ξεκάθαρα μια βακτηριακή προσαρμογή για τη μεταφορά του DNA, επειδή εξαρτάται από πολλά βακτηριακά γονιδιακά προϊόντα που αλληλεπιδρούν ειδικά για την εκτέλεση αυτής της πολύπλοκης διαδικασίας.[16] Για να συνδεθεί ένα βακτήριο, να προσλάβει και να ανασυνδυάσει το DNA του δότη στο δικό του χρωμόσωμα, πρέπει πρώτα να εισέλθει σε μια ειδική φυσιολογική κατάσταση που ονομάζεται ικανότητα (competence). Περίπου 40 γονίδια απαιτούνται στο Bacillus subtilis για την ανάπτυξη της ικανότητας.[17] Το μήκος του DNA που μεταφέρθηκε κατά τη διάρκεια του μετασχηματισμού του B. subtilis μπορεί να φτάσει το ένα τρίτο σε ολόκληρο το χρωμόσωμα.[18][19] Ο μετασχηματισμός είναι ένας κοινός τρόπος μεταφοράς του DNA και μέχρι στιγμής είναι γνωστό ότι 67 προκαρυωτικά είδη είναι φυσικά ικανά για μετασχηματισμό.[20] Μεταξύ των αρχαίων, το Halobacterium volcanii σχηματίζει κυτταροπλασματικές γέφυρες μεταξύ κυττάρων που φαίνεται να χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά του DNA από το ένα κύτταρο στο άλλο.[21] Ένα άλλο αρχαίο, το Sulfolobus solfataricus, μεταφέρει DNA μεταξύ των κυττάρων με άμεση επαφή. Οι Frols κ.α. (2008) βρήκαν [22] ότι η έκθεση του S. solfataricus σε παράγοντες που βλάπτουν το DNA επάγει την κυτταρική συσσωμάτωση και πρότειναν ότι η κυτταρική συσσωμάτωση μπορεί να ενισχύσει τη μεταφορά DNA μεταξύ των κυττάρων για να παρέχει αυξημένη επιδιόρθωση του κατεστραμμένου DNA μέσω ομολόγου ανασυνδυασμού.
Ενώ οι προκαρυώτες θεωρούνται αυστηρά μονοκύτταροι, οι περισσότεροι μπορούν να σχηματίσουν σταθερές συγκεντρωτικές κοινότητες.[23] Όταν τέτοιες κοινότητες είναι εγκλωβισμένες σε μια σταθεροποιητική πολυμερή μήτρα ("λάσπη"), μπορούν να ονομαστούν "βιομεμβράνες (biofilms)".[24] Τα κύτταρα σε βιομεμβράνες εμφανίζουν συχνά διακριτά μοτίβα γονιδιακής έκφρασης (φαινοτυπική διαφοροποίηση) σε χρόνο και χώρο. Επίσης, όπως συμβαίνει με τους πολυκύτταρους ευκαρυώτες, αυτές οι αλλαγές στην έκφραση φαίνεται συχνά να προκύπτουν από σηματοδότηση από κύτταρο σε κύτταρο, ένα φαινόμενο γνωστό ως αίσθηση μεγέθους πληθυσμού (quorum sensing). Οι βιομεμβράνες μπορεί να είναι εξαιρετικά ετερογενείς και δομικά πολύπλοκες και μπορεί να προσκολλώνται σε στερεές επιφάνειες ή να υπάρχουν σε διεπαφές υγρού-αέρα ή ενδεχομένως ακόμη και σε διεπαφές υγρού-υγρού. Οι βακτηριακές βιομεμβράνες αποτελούνται συχνά από μικροαποικίες (κατά προσέγγιση μάζες βακτηρίων και μήτρας σε σχήμα θόλου) που χωρίζονται από "κενά" μέσα από τα οποία το μέσο (π.χ. νερό) μπορεί να ρέει εύκολα. Οι μικροαποικίες μπορούν να ενωθούν πάνω από το υπόστρωμα για να σχηματίσουν ένα συνεχές στρώμα, κλείνοντας το δίκτυο των καναλιών που χωρίζουν τις μικροαποικίες. Αυτή η δομική πολυπλοκότητα -σε συνδυασμό με τις παρατηρήσεις ότι ο περιορισμός του οξυγόνου (μια πανταχού παρούσα πρόκληση για ο,τιδήποτε μεγαλώνει σε μέγεθος πέρα από την κλίμακα της διάχυσης) διευκολύνεται τουλάχιστον εν μέρει από την κίνηση του μέσου σε όλη τη βιομεμβράνη- έχει οδηγήσει ορισμένους να υποθέσουν ότι αυτό μπορεί να αποτελεί κυκλοφορικό σύστημα[25] και και πολλοί ερευνητές έχουν αρχίσει να αποκαλούν τις προκαρυωτικές κοινότητες πολυκύτταρες (για παράδειγμα [26]). Διαφορετική έκφραση κυττάρων, συλλογική συμπεριφορά, σηματοδότηση, προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος και (σε ορισμένες περιπτώσεις) διακριτή βιολογική διασπορά[27] συμβάντων όλα φαίνεται να δείχνουν προς αυτήν την κατεύθυνση. Ωστόσο, αυτές οι αποικίες σπάνια ιδρύονται από έναν μόνο ιδρυτή (με τον τρόπο που τα ζώα και τα φυτά ιδρύονται από μεμονωμένα κύτταρα), γεγονός που παρουσιάζει μια σειρά από θεωρητικά ζητήματα. Οι περισσότερες εξηγήσεις της συνεργασίας και της πολυκυτταρικότητας των οργανισμών έχουν επικεντρωθεί στην υψηλή συγγένεια μεταξύ των μελών μιας ομάδας (ή αποικίας, ή ολόκληρου του οργανισμού). Εάν ένα αντίγραφο ενός γονιδίου υπάρχει σε όλα τα μέλη μιας ομάδας, συμπεριφορές που προάγουν τη συνεργασία μεταξύ των μελών μπορεί να επιτρέψουν σε αυτά τα μέλη να έχουν (κατά μέσο όρο) μεγαλύτερη ικανότητα από μια παρόμοια ομάδα εγωιστικών ατόμων.[28]. Εάν αυτές οι περιπτώσεις προκαρυωτικής κοινωνικότητας αποδειχθούν ο κανόνας και όχι η εξαίρεση, θα είχε σοβαρές επιπτώσεις στον τρόπο που βλέπουμε τους προκαρυώτες γενικά και στον τρόπο που τους αντιμετωπίζουμε στην ιατρική.[29] Οι βακτηριακές βιομεμβράνες μπορεί να είναι 100 φορές πιο ανθεκτικές στα αντιβιοτικά από τα μονοκύτταρα που ζουν ελεύθερα και μπορεί να είναι σχεδόν αδύνατο να αφαιρεθούν από τις επιφάνειες αφού τις έχουν αποικίσει.[30] Άλλες πτυχές της βακτηριακής συνεργασίας—όπως η βακτηριακή σύζευξη και η μεσολάβηση αίσθησης μεγάλου αριθμού παθογονικότητας, παρουσιάζουν πρόσθετες προκλήσεις για τους ερευνητές και τους επαγγελματίες του ιατρικού κλάδου που επιδιώκουν να θεραπεύσουν τις σχετικές ασθένειες.
Οι προκαρυώτες έχουν διαφοροποιηθεί πολύ σε όλη τη μακρόχρονη ύπαρξή τους. Ο μεταβολισμός των προκαρυωτών είναι πολύ πιο ποικίλος από εκείνον των ευκαρυωτών, οδηγώντας σε πολλούς ιδιαίτερα διακριτούς προκαρυωτικούς τύπους. Για παράδειγμα, εκτός από τη χρήση φωτοσύνθεσης ή οργανικών ενώσεων για ενέργεια, όπως κάνουν οι ευκαρυώτες, οι προκαρυώτες μπορούν να λάβουν ενέργεια από ανόργανες ενώσεις όπως το υδρόθειο. Αυτό δίνει τη δυνατότητα στους προκαρυώτες να ευδοκιμήσουν σε σκληρά περιβάλλοντα τόσο κρύα όσο η επιφάνεια του χιονιού της Ανταρκτικής, που μελετήθηκε στην κρυοβιολογία, ή τόσο ζεστά όσο οι υποθαλάσσιες υδροθερμικές πηγές (hydrothermal vents) και οι χερσαίες θερμές πηγές. Οι προκαρυώτες ζουν σχεδόν σε όλα τα περιβάλλοντα στη Γη. Ορισμένα αρχαία και βακτήρια είναι ακραιόφιλα, που ευδοκιμούν σε σκληρές συνθήκες, όπως υψηλές θερμοκρασίες (θερμόφιλα) ή υψηλή αλατότητα (αλατόφιλα).[31] Πολλά αρχαία αναπτύσσονται ως πλαγκτόν στους ωκεανούς. Συμβιωτικοί προκαρυώτες ζουν μέσα ή πάνω στα σώματα άλλων οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Οι προκαρυώτες έχουν υψηλούς πληθυσμούς στο έδαφος - συμπεριλαμβανομένης της ριζόσφαιρας καθώς και γύρω από τη ρίζα. Οι προκαρυώτες του εδάφους εξακολουθούν να υποχαρακτηρίζονται σε μεγάλο βαθμό παρά την εύκολη γειτνίασή τους με τον άνθρωπο και την τεράστια οικονομική σημασία για τη γεωργία.[32]
Το 1977, ο Carl Woese πρότεινε τη διαίρεση των προκαρυωτών στα βακτήρια και στα αρχαία (αρχικά Ευβακτήρια και αρχαιοβακτήρια) λόγω των μεγάλων διαφορών στη δομή και τη γενετική μεταξύ των δύο ομάδων οργανισμών. Αρχικά τα αρχαία θεωρούνταν ακραιόφιλα, που ζουν μόνο σε αφιλόξενες συνθήκες όπως ακραία θερμοκρασία, pH και ακτινοβολία, αλλά έκτοτε έχουν βρεθεί σε όλους τους τύπους ενδιαιτημάτων. Η προκύπτουσα διάταξη των Ευκαρυωτών, των βακτηρίων και των αρχαίων ονομάζεται σύστημα τριών επικρατειών, αντικαθιστώντας το παραδοσιακό σύστημα δύο αυτοκρατοριών (υπερβασιλείων).[33][34]
Σύμφωνα με τη φυλογενετική ανάλυση του Hug (2016), οι σχέσεις θα μπορούσαν να είναι οι εξής:[35]
Ένα ευρέως διαδεδομένο τρέχον πρότυπο της εξέλιξης των πρώτων ζωντανών οργανισμών είναι ότι αυτοί ήταν κάποια μορφή προκαρυωτών, που μπορεί να είχαν εξελιχθεί από πρωτοκύτταρα, ενώ οι ευκαρυώτες εξελίχθηκαν αργότερα στην ιστορία της ζωής.[37] Μερικοί συγγραφείς αμφισβήτησαν αυτό το συμπέρασμα, υποστηρίζοντας ότι το σημερινό σύνολο προκαρυωτικών ειδών μπορεί να έχει εξελιχθεί από πιο σύνθετους ευκαρυωτικούς προγόνους μέσω μιας διαδικασίας απλοποίησης.[38][39][40] Άλλοι έχουν υποστηρίξει ότι οι τρεις επικράτειες της ζωής προέκυψαν ταυτόχρονα, από ένα σύνολο ποικίλων κυττάρων που σχημάτισαν μια ενιαία γονιδιακή δεξαμενή.[41] Αυτή η διαμάχη συνοψίστηκε το 2005:[42] Δεν υπάρχει συναίνεση μεταξύ των βιολόγων σχετικά με τη θέση των ευκαρυωτών στο συνολικό σχήμα της κυτταρικής εξέλιξης. Οι τρέχουσες απόψεις για την προέλευση και τη θέση των ευκαρυωτών καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα, συμπεριλαμβανομένων των απόψεων ότι οι ευκαρυώτες προέκυψαν πρώτοι στην εξέλιξη και ότι οι προκαρυώτες κατάγονται από αυτούς, ότι οι ευκαρυώτες προέκυψαν ταυτόχρονα με τα ευβακτήρια και τα αρχαιοβακτήρια και ως εκ τούτου αντιπροσωπεύουν μια κύρια γραμμή καταγωγής ίσης ηλικίας και κατάταξης με τους προκαρυώτες, ότι οι ευκαρυώτες προέκυψαν μέσω ενός συμβιωτικού συμβάντος που συνεπάγεται μια ενδοσυμβιωτική προέλευση του πυρήνα, ότι οι ευκαρυώτες προέκυψαν χωρίς ενδοσυμβίωση και ότι οι ευκαρυώτες προέκυψαν μέσω ενός συμβιωτικού γεγονότος που συνεπάγεται μια ταυτόχρονη ενδοσυμβιωτική προέλευση του μαστιγίου και του πυρήνα, εκτός από πολλά άλλα πρότυπα, τα οποία έχουν ανασκοπηθεί και συνοψιστεί αλλού. Οι παλαιότεροι γνωστοί απολιθωμένοι προκαρυώτες γεννήθηκαν πριν από περίπου 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια, μόνο περίπου 1 δισεκατομμύριο χρόνια μετά το σχηματισμό του φλοιού της Γης. Οι ευκαρυώτες εμφανίζονται στο αρχείο απολιθωμάτων αργότερα και μπορεί να έχουν σχηματιστεί από ενδοσυμβίωση πολλαπλών προκαρυωτικών προγόνων. Οι παλαιότεροι γνωστοί απολιθωμένοι ευκαρυώτες είναι περίπου 1,7 δισεκατομμυρίων ετών. Ωστόσο, ορισμένα γενετικά στοιχεία δείχνουν ότι οι ευκαρυώτες εμφανίστηκαν ήδη πριν από 3 δισεκατομμύρια χρόνια.[43] Ενώ η Γη είναι το μόνο μέρος στο σύμπαν όπου είναι γνωστό ότι υπάρχει ζωή, μερικοί έχουν προτείνει ότι υπάρχουν αποδείξεις στον Άρη απολιθωμάτων ή ζωντανών προκαρυωτών.[44][45] Ωστόσο, αυτή η πιθανότητα παραμένει αντικείμενο σημαντικής συζήτησης και σκεπτικισμού.[46][47]
Η διαίρεση μεταξύ προκαρυωτών και ευκαρυωτών θεωρείται συνήθως η πιο σημαντική διάκριση ή διαφορά μεταξύ των οργανισμών. Η διάκριση είναι ότι τα ευκαρυωτικά κύτταρα έχουν έναν αληθινό πυρήνα που περιέχει το DNA τους, ενώ τα προκαρυωτικά κύτταρα δεν έχουν πυρήνα. Και οι ευκαρυώτες και οι προκαρυώτες περιέχουν μεγάλες δομές RNA/πρωτεΐνης που ονομάζονται ριβοσώματα, τα οποία παράγουν πρωτεΐνη, αλλά τα ριβοσώματα των προκαρυωτών είναι μικρότερα από αυτά των ευκαρυωτών. Τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες, δύο οργανίδια που βρίσκονται σε πολλά ευκαρυωτικά κύτταρα, περιέχουν ριβοσώματα παρόμοια σε μέγεθος και σύνθεση με αυτά που βρίσκονται στους προκαρυώτες.[48] Αυτό είναι ένα από τα πολλά στοιχεία που αποδεικνύουν ότι τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες προέρχονται από ελεύθερα βακτήρια. Η ενδοσυμβιωτική θεωρία υποστηρίζει ότι τα πρώιμα ευκαρυωτικά κύτταρα προσέλαβαν πρωτόγονα προκαρυωτικά κύτταρα με φαγοκυττάρωση και προσαρμόστηκαν για να ενσωματώσουν τις δομές τους, οδηγώντας στα μιτοχόνδρια και τους χλωροπλάστες. Το γονιδίωμα σε ένα προκαρυώτη διατηρείται μέσα σε ένα σύμπλεγμα DNA/πρωτεΐνης στο κυτοσόλιο (cytosol) που ονομάζεται νουκλεοειδές (nucleoid), το οποίο στερείται πυρηνικής μεμβράνης.[49] Το σύμπλεγμα περιέχει ένα μονό, κυκλικό, δίκλωνο μόριο σταθερού χρωμοσωμικού DNA, σε αντίθεση με τα πολλαπλά γραμμικά, συμπαγή, εξαιρετικά οργανωμένα χρωμοσώματα που βρίσκονται στα ευκαρυωτικά κύτταρα. Επιπλέον, πολλά σημαντικά γονίδια προκαρυωτών είναι αποθηκευμένα σε ξεχωριστές κυκλικές δομές DNA που ονομάζονται πλασμίδια.[3] Όπως οι ευκαρυώτες, οι προκαρυώτες μπορεί να αντιγράψουν εν μέρει το γενετικό υλικό και μπορεί να έχουν μια απλοειδή χρωμοσωμική σύνθεση που αντιγράφεται μερικώς, μια κατάσταση γνωστή ως μεροδιπλοειδία (merodiploidy).[50] Οι προκαρυώτες στερούνται μιτοχόνδρια και χλωροπλάστες. Αντίθετα, διεργασίες όπως η οξειδωτική φωσφορυλίωση και η φωτοσύνθεση λαμβάνουν χώρα στην προκαρυωτική κυτταρική μεμβράνη.[51] Ωστόσο, οι προκαρυώτες έχουν κάποιες εσωτερικές δομές, όπως προκαρυωτικούς κυτταροσκελετούς.[52][53] Έχει προταθεί ότι το βακτηριακό φύλλο Planctomycetota έχει μια μεμβράνη γύρω από το νουκλεοειδές και περιέχει άλλες κυτταρικές δομές που συνδέονται με τη μεμβράνη.[54] Ωστόσο, περαιτέρω έρευνα αποκάλυψε ότι τα κύτταρα Planctomycetota δεν είναι διαμερισματοποιημένα ή πυρηνοποιημένα και, όπως και άλλα συστήματα βακτηριακής μεμβράνης, είναι διασυνδεδεμένα.[55] Τα προκαρυωτικά κύτταρα είναι συνήθως πολύ μικρότερα από τα ευκαρυωτικά κύτταρα.[3] Επομένως, οι προκαρυώτες έχουν μεγαλύτερη αναλογία επιφάνειας προς όγκο, δίνοντάς τους υψηλότερο ρυθμό μεταβολισμού, υψηλότερο ρυθμό ανάπτυξης, και κατά συνέπεια, μικρότερο χρόνο γενιάς από τους ευκαρυώτες.[3]
Αυτή η πρόταση του 2018 δείχνει ευκαρυώτες που αναδύονται από την αρχαϊκή ομάδα Asgard, η οποία αντιπροσωπεύει μια σύγχρονη εκδοχή της υπόθεσης των ηωκυττάρων. Σε αντίθεση με προηγούμενες υποθέσεις, η διαίρεση μεταξύ βακτηρίων και των υπολοίπων είναι η πιο σημαντική διαφορά μεταξύ των οργανισμών. Υπάρχουν αυξανόμενες ενδείξεις ότι οι ρίζες των ευκαρυωτών βρίσκονται στην (ή τουλάχιστον δίπλα) στην αρχαϊκή ομάδα asgard, ίσως Heimdallarchaeota (μια ιδέα που είναι μια σύγχρονη εκδοχή από την υπόθεση των ηωκυττάρων του 1984, τα ηωκύτταρα είναι ένα παλιό συνώνυμο του Thermoproteota, ένα τάξο (taxon) που βρίσκεται κοντά στην τότε άγνωστη ομάδα Asgard).[56]. Για παράδειγμα, οι ιστόνες που συνήθως συσκευάζουν DNA σε ευκαρυωτικούς πυρήνες, έχουν επίσης βρεθεί σε αρκετές αρχαϊκές ομάδες, δίνοντας στοιχεία για ομολογία. Αυτή η ιδέα θα μπορούσε να αποσαφηνίσει τον μυστηριώδη προκάτοχο των ευκαρυωτικών κυττάρων που περιείχε ένα άλφα-πρωτεοβακτήριο (alphaproteobacterium) σχηματίζοντας το πρώτο ευκύτταρο, (last eukaryotic common ancestor LECA) σύμφωνα με την ενδοσυμβιωτική θεωρία. Μπορεί να υπήρχε κάποια πρόσθετη υποστήριξη από ιούς, που ονομάζεται ιική ευκαρυογένεση (viral eukaryogenesis). Η μη βακτηριακή ομάδα που περιλαμβάνει αρχαία και ευκαρυώτα ονομάστηκε Neomura από τον Thomas Cavalier-Smith το 2002.[57] Ωστόσο, σε μια κλαδιστική άποψη, τα ευκαρυώτα είναι αρχαία με την ίδια έννοια όπως τα πουλιά είναι δεινόσαυροι επειδή εξελίχθηκαν από την ομάδα δεινοσαύρων maniraptora. Αντίθετα, τα αρχαία χωρίς ευκαρυώτες φαίνεται να είναι μια παραφυλετική (paraphyletic) ομάδα, ακριβώς όπως οι δεινόσαυροι χωρίς πουλιά.
Σε αντίθεση με την παραπάνω υπόθεση για μια θεμελιώδη διάσπαση μεταξύ προκαρυωτών και ευκαρυωτών, η πιο σημαντική διαφορά στη βιοκοινότητα μπορεί να είναι η διαίρεση μεταξύ βακτηρίων και των υπολοίπων (αρχαία και ευκαρυώτες)..[56] Για παράδειγμα, η αντιγραφή του DNA διαφέρει θεμελιωδώς μεταξύ των βακτηρίων και των αρχαίων (συμπεριλαμβανομένης αυτής στους ευκαρυωτικούς πυρήνες) και μπορεί να μην είναι ομόλογη μεταξύ αυτών των δύο ομάδων.[58] Επιπλέον, η ATP συνθετάση, αν και κοινή (ομόλογη) σε όλους τους οργανισμούς, διαφέρει πολύ μεταξύ των βακτηρίων (συμπεριλαμβανομένων των ευκαρυωτικών οργανιδίων όπως μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες και της ομάδας πυρήνα των αρχαίων/ευκαρυωτών. Ο τελευταίος παγκόσμιος κοινός πρόγονος όλης της ζωής (last common universal antecessor, LUCA), θα έπρεπε να είχε μια πρώιμη εκδοχή αυτού του συμπλέγματος πρωτεΐνης. Καθώς η συνθετάση ATP είναι υποχρεωτικά συνδεδεμένη με τη μεμβράνη, αυτό υποστηρίζει την υπόθεση ότι το LUCA ήταν ένας κυτταρικός οργανισμός. Η υπόθεση του RNA μπορεί να αποσαφηνίσει αυτό το σενάριο, καθώς ο LUCA μπορεί να ήταν ένα ριβοκύτταρο χωρίς DNA, αλλά με γονιδίωμα RNA κατασκευασμένο από ριβοσώματα ως αρχέγονες αυτοαναπαραγόμενες οντότητες.[59] Μια υπόθεση ο κόσμος πεπτιδίου-RNA (ονομάζεται επίσης κόσμος ριβονουκλεοπρωτεϊνών (Ribonucleoproteins, RNP) έχει προταθεί με βάση την ιδέα ότι τα ολιγοπεπτίδια μπορούν να έχουν κατασκευαστεί μαζί με αρχέγονα νουκλεϊκά οξέα ταυτόχρονα, που υποστηρίζει επίσης την έννοια του ριβοκυττάρου ως LUCA. Το χαρακτηριστικό του DNA ως υλικής βάσης του γονιδιώματος θα μπορούσε στη συνέχεια να υιοθετήθηκε χωριστά από τα βακτήρια και τα αρχαία (και αργότερα στους πυρήνες των ευκαρυωτών), πιθανώς με τη βοήθεια ορισμένων ιών (πιθανώς ρετροϊών επειδή θα μπορούσαν να μεταγράψουν αντίστροφα RNA σε DNA).[60] Ως αποτέλεσμα, οι προκαρυώτες που περιλαμβάνουν βακτήρια και αρχαία μπορεί επίσης να είναι πολυφυλετικά.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
