ASAL SEL: TEORI UTAMA (PROKARIOTIK DAN EUKARIOTIK) - BIOLOGI - 2025

The asal sel tanggal kembali berumur lebih dari 3,5 miliar tahun. Cara unit fungsional ini berasal telah membangkitkan rasa ingin tahu para ilmuwan selama beberapa abad.

Asal usul kehidupan itu sendiri disertai dengan asal mula sel. Dalam lingkungan primitif, kondisi lingkungan sangat berbeda dari yang kita amati saat ini. Konsentrasi oksigen praktis nol, dan atmosfer didominasi oleh komposisi gas lain.

Sumber: pixabay.com

Pengalaman berbeda di laboratorium telah menunjukkan bahwa di bawah kondisi lingkungan awal Bumi, polimerisasi berbagai karakteristik biomolekul sistem organik dimungkinkan, yaitu: asam amino, gula, dll.

Molekul dengan kapasitas katalitik dan untuk mereplikasi dirinya sendiri (berpotensi, RNA) dapat ditutup dalam membran fosfolipid, membentuk sel prokariotik primitif pertama, yang berevolusi mengikuti prinsip Darwin.

Demikian juga asal mula sel eukariotik biasanya dijelaskan dengan menggunakan teori endosimbiotik. Gagasan ini mendukung bahwa bakteri besar menelan bakteri yang lebih kecil dan dengan berlalunya waktu menghasilkan organel yang kita kenal sekarang (kloroplas dan mitokondria).

Teori sel

Cell adalah istilah yang berasal dari bahasa latin root cellula yang artinya berongga. Ini adalah unit fungsional dan struktural makhluk hidup. Istilah ini pertama kali digunakan pada abad ke-17 oleh peneliti Robert Hooke, ketika dia memeriksa selembar gabus di bawah cahaya mikroskop dan mengamati sejenis sel.

Dengan penemuan ini, lebih banyak ilmuwan - terutama kontribusi Theodor Schwann dan Matthias Schleiden - menjadi tertarik pada struktur mikroskopis materi hidup. Dengan cara ini, salah satu pilar terpenting biologi lahir: teori sel.

Teori menyatakan bahwa: (a) semua makhluk hidup terdiri dari sel; (b) sel adalah unit kehidupan; (c) reaksi kimia yang menopang kehidupan terjadi dalam batas-batas sel dan (d) semua kehidupan berasal dari kehidupan yang sudah ada sebelumnya.

Postulat terakhir ini diringkas dalam frase terkenal Rudolf Virchow: "omnis cellula e cellula" - semua sel berasal dari sel lain yang sudah ada. Tapi dari manakah sel pertama berasal? Selanjutnya kami akan menjelaskan teori utama yang berusaha menjelaskan asal mula struktur seluler pertama.

Evolusi sel prokariotik

Asal usul kehidupan adalah fenomena yang terkait erat dengan asal mula sel. Di bumi, ada dua bentuk kehidupan seluler: prokariota dan eukariota.

Kedua garis keturunan pada dasarnya berbeda dalam hal kompleksitas dan strukturnya, dengan eukariota menjadi organisme yang lebih besar dan lebih kompleks. Ini bukan untuk mengatakan bahwa prokariota itu sederhana - organisme prokariotik tunggal adalah aglomerasi yang terorganisir dan rumit dari berbagai kompleks molekuler.

Evolusi kedua cabang kehidupan adalah salah satu pertanyaan paling menarik dalam dunia biologi.

Secara kronologis, kehidupan diperkirakan berusia 3,5 hingga 3,8 miliar tahun. Ini muncul kira-kira 750 juta tahun setelah pembentukan Bumi.

Evolusi bentuk kehidupan awal: Eksperimen Miller

Pada awal 1920-an gagasan bahwa makromolekul organik dapat berpolimerisasi secara spontan di bawah kondisi lingkungan atmosfer primitif - dengan konsentrasi oksigen rendah dan konsentrasi CO ₂ dan N _{2 yang tinggi} , serta serangkaian gas seperti H ₂ , H ₂ S, dan CO.

Diasumsikan bahwa atmosfer primitif hipotetis menyediakan lingkungan pereduksi, yang bersama dengan sumber energi (seperti sinar matahari atau pelepasan listrik), menciptakan kondisi yang kondusif untuk polimerisasi molekul organik.

Teori ini dikonfirmasi secara eksperimental pada tahun 1950 oleh peneliti Stanley Miller selama studi pascasarjana.

Kebutuhan molekul dengan sifat mereplikasi diri dan katalitik: dunia RNA

Setelah menentukan kondisi yang diperlukan untuk pembentukan molekul yang kita temukan di semua makhluk hidup, perlu diusulkan molekul primitif dengan kemampuan untuk menyimpan informasi dan mereplikasi dirinya sendiri - sel saat ini menyimpan informasi genetik dalam bahasa empat nukleotida dalam molekul DNA.

Hingga saat ini, kandidat terbaik untuk molekul ini adalah RNA. Baru pada tahun 1980 peneliti Sid Altman dan Tom Cech menemukan kemampuan katalitik dari asam nukleat ini, termasuk polimerisasi nukleotida - langkah kritis untuk evolusi kehidupan dan sel.

Karena alasan ini, diyakini bahwa kehidupan mulai menggunakan RNA sebagai materi genetik, dan bukan DNA seperti yang dilakukan sebagian besar bentuk saat ini.

Membatasi hambatan hidup: fosfolipid

Setelah makromolekul dan molekul yang mampu menyimpan informasi dan menggandakan dirinya telah diperoleh, keberadaan membran biologis diperlukan untuk menentukan batas antara makhluk hidup dan lingkungan ekstraseluler. Secara evolusioner, langkah ini menandai asal mula sel pertama.

Sel pertama diyakini muncul dari molekul RNA yang dibungkus oleh membran yang terdiri dari fosfolipid. Yang terakhir adalah molekul amphipathic, yang berarti satu bagian bersifat hidrofilik (larut dalam air) dan bagian lainnya bersifat hidrofobik (tidak larut dalam air).

Ketika fosfolipid dilarutkan dalam air, mereka memiliki kemampuan untuk mengumpulkan secara spontan dan membentuk lapisan ganda lipid. Kepala kutub dikelompokkan menghadap lingkungan berair dan ekor hidrofobik di dalamnya, bersentuhan satu sama lain.

Penghalang ini stabil secara termodinamika dan menciptakan kompartemen yang memungkinkan sel dipisahkan dari lingkungan ekstraseluler.

Dengan berlalunya waktu, RNA yang tertutup di dalam membran lipid melanjutkan jalur evolusinya mengikuti mekanisme Darwin - sampai menghasilkan proses yang kompleks seperti sintesis protein.

Evolusi metabolisme

Begitu sel-sel primitif ini terbentuk, perkembangan jalur metabolisme yang kita kenal sekarang dimulai. Skenario paling masuk akal untuk asal mula sel pertama adalah lautan, sehingga sel pertama dapat memperoleh makanan dan energi langsung dari lingkungan.

Ketika makanan menjadi langka, varian sel tertentu harus muncul dengan metode alternatif untuk mendapatkan makanan dan menghasilkan energi yang memungkinkan mereka untuk melanjutkan replikasi.

Pembangkitan dan pengendalian metabolisme sel sangat penting untuk kelangsungannya. Faktanya, jalur metabolisme utama dipertahankan secara luas di antara organisme saat ini. Misalnya, bakteri dan mamalia melakukan glikolisis.

Telah diusulkan bahwa pembangkit energi berevolusi dalam tiga tahap, dimulai dengan glikolisis, diikuti oleh fotosintesis, dan diakhiri dengan metabolisme oksidatif.

Karena lingkungan primitif kekurangan oksigen, masuk akal jika reaksi metabolisme awal terjadi tanpa oksigen.

Evolusi sel eukariotik

Sel secara unik bersifat prokariotik hingga sekitar 1,5 miliar tahun yang lalu. Pada tahap ini, sel-sel pertama dengan inti dan organel sejati muncul. Teori yang paling menonjol dalam literatur yang menjelaskan evolusi organel adalah teori endosimbiosis (endo berarti internal).

Organisme tidak terisolasi di lingkungannya. Komunitas biologis menghadirkan banyak interaksi, baik antagonis maupun sinergis. Istilah umum yang digunakan untuk interaksi berbeda adalah simbiosis - sebelumnya hanya digunakan untuk hubungan mutualistik antara dua spesies.

Interaksi antara organisme memiliki konsekuensi evolusioner yang penting, dan contoh paling dramatis dari ini adalah teori endosimbiotik, yang pada awalnya dikemukakan oleh peneliti Amerika Lynn Margulis pada 1980-an.

Postulat teori endosimbiotik

Menurut teori ini, beberapa organel eukariotik - seperti kloroplas dan mitokondria - pada awalnya adalah organisme prokariotik yang hidup bebas. Pada suatu titik dalam evolusi, prokariota ditelan oleh yang lebih besar, tetapi tidak dicerna. Sebaliknya, dia selamat dan terjebak di dalam organisme yang lebih besar.

Selain bertahan hidup, waktu reproduksi antara dua organisme disinkronkan, berhasil diteruskan ke generasi berikutnya.

Dalam kasus kloroplas, organisme yang tertelan memperlihatkan semua mesin enzimatik untuk melakukan fotosintesis, memasok organisme yang lebih besar dengan produk reaksi kimia berikut: monosakarida. Dalam kasus mitokondria, diduga bahwa prokariota yang tertelan bisa jadi merupakan α-proteobacteria leluhur.

Namun, identitas potensial dari organisme inang yang lebih besar masih menjadi pertanyaan terbuka dalam literatur.

Organisme prokariotik yang tertelan kehilangan dinding selnya, dan selama evolusi mengalami modifikasi terkait yang berasal dari organel modern. Ini, pada dasarnya, adalah teori endosimbiotik.

Bukti untuk teori endosimbiotik

Saat ini terdapat beberapa fakta yang mendukung teori endosimbiosis, yaitu: (a) ukuran mitokondria dan kloroplas saat ini mirip dengan prokariota; (b) organel-organel ini memiliki materi genetiknya sendiri dan mensintesis sebagian dari protein, meskipun tidak sepenuhnya independen dari nukleus dan (c) terdapat beberapa kesamaan biokimia antara kedua entitas biologis tersebut.

Keuntungan menjadi eukariotik

Evolusi sel eukariotik dikaitkan dengan serangkaian keunggulan dibandingkan prokariota. Peningkatan ukuran, kompleksitas dan kompartementalisasi memungkinkan evolusi cepat dari fungsi biokimia baru.

Setelah sel eukariotik datang, muncullah multiseluler. Jika sebuah sel "ingin" menikmati manfaat dari ukuran yang lebih besar, ia tidak bisa begitu saja tumbuh, karena permukaan sel haruslah besar dalam hubungannya dengan volumenya.

Dengan demikian, organisme dengan lebih dari satu sel dapat meningkatkan ukurannya dan mendistribusikan tugas di antara banyak sel yang menyusunnya.

Referensi

1. Altstein, AD (2015). Hipotesis progen: dunia nukleoprotein dan bagaimana kehidupan dimulai. Biology Direct, 10, 67.
2. Anderson, PW (1983). Model yang disarankan untuk evolusi prebiotik: Penggunaan kekacauan. Prosiding National Academy of Sciences, 80 (11), 3386-3390.
3. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologi: Kehidupan di Bumi. Pendidikan Pearson.
4. Campbell, AN, & Reece, JB (2005). Biologi. Editorial Médica Panamericana.
5. Gama, M. (2007). Biologi 1: Pendekatan Konstruktivis. Pendidikan Pearson.
6. Hogeweg, P., & Takeuchi, N. (2003). Seleksi bertingkat dalam model evolusi prebiotik: kompartemen dan pengaturan diri spasial. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 33 (4-5), 375-403.
7. Lazcano, A., & Miller, SL (1996). Asal usul dan evolusi awal kehidupan: kimia prebiotik, dunia pra-RNA, dan waktu. Sel, 85 (6), 793-798.
8. McKenney, K., & Alfonzo, J. (2016). Dari prebiotik ke probiotik: Evolusi dan fungsi modifikasi tRNA. Hidup, 6 (1), 13.
9. Schrum, JP, Zhu, TF, & Szostak, JW (2010). Asal usul kehidupan seluler. Perspektif Cold Spring Harbor dalam biologi, a002212.
10. Silvestre, DA, & Fontanari, JF (2008). Model paket dan krisis informasi evolusi prebiotik. Jurnal biologi teoretis, 252 (2), 326-337.
11. Stano, P., & Mavelli, F. (2015). Model Protocells di Origin of Life dan Synthetic Biology. Life, 5 (4), 1700–1702.