时空手记

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大跃迁—从原核生命到真核生命

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35亿年前,地球上出现了最古老的生命,它们是生活在海洋里的原核生物。由于没有核膜,原核生物的遗传物质(脱氧核糖核酸)散乱分布在细胞中。
26亿年前的大氧化事件,使很多原核生物灭绝了,幸存者中的一些,慢慢发展出利用氧气的方式:它们吸收并利用氧气分解有机物,将二氧化碳和水作为废物排放出来,同时释放出能量,这个过程被称为呼吸作用,一个与光合作用相反的能量利用过程。光合作用和呼吸作用组成了一套循环系统,维持着生物圈的能量平衡。

生命能量大循环

大约18亿年前,在呼吸作用出现的同一时期,一些生命的细胞结构也跟着发生了改变,这种新细胞被称为真核细胞。真核细胞比原核细胞大10倍到1000倍,其细胞质发展出细胞骨架(一种蛋白质纤维网络),可以使细胞中各种物质在细胞内部运动。多数真核细胞可以靠鞭毛移动,因此,它们可以移动到适宜它生存的的环境中,而不是像原核生物那样只能随波逐流。
真核细胞和原核细胞的最主要的区别,是真核细胞演化出由核膜包被的典型细胞核以及以染色体形式存在的DNA,此外,真核生物还具有由膜结构包被的细胞器。这些小小的隔离区域使细胞器以更为高效的方式执行它们自己的特殊功能——比如能量转换、消化代谢和蛋白质合成等,而这些功能不会受到细胞内同时进行的其他进程干扰。这些的结构,就像人体的各种器官。真核细胞中两个最重要的细胞器是线粒体(细胞进行新陈代谢的有氧呼吸场所)和叶绿体(植物细胞进行光合作用的场所)。

真核细胞VS原核细胞

研究发现,真核细胞中的线粒体和叶绿体至今仍然含有它们自己的遗传物质(脱氧核糖核酸),这说明真核细胞很可能是通过联合不同类型的原核生物以及其遗传物质,以一种内共生的形式进化而来的。
具体来说就是,当好氧细菌进入原核细胞时,并没有被细胞消化掉,而是与宿主形成了共生关系,由宿主为其提供必要的营养物质和保护,细菌反过来通过呼吸作用为宿主提供必须的能量,最终好氧细菌演化为细胞中的线粒体。通过相似的方式,光合细菌也进入原核细胞并与宿主共生,且通过光合作用为宿主细胞提供必需的能量,逐步演化为真核植物细胞的叶绿体。共生现象在生物界中相当普遍,它说明了,在进化变化中,竞争与合作是极其紧密地纠缠在一起的,成功地迈向一个特定的生物体,需要其他生物体的合作。虽然很多真核生物是单细胞,但是从共生的角度上看,真核细胞算得上是一个“多细胞”生物体。

真核细胞起源

真核生物包括大量的单细胞生物或原生生物,全部多细胞生物。除细菌和蓝藻的细胞以外,地球上现存所有的动物细胞以及植物细胞都属于真核细胞。
真核细胞的诞生,标志着生物体遗传的复杂性显著增长,因此被认为是地球上生命史的上的主要跃迁之一,在此之后,生命再也没出现其他的细胞革新。

典型动植物细胞
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