Одноклеточный организм , также известный как одноклеточный организм , представляет собой организм , состоящий из одной клетки , в отличие от многоклеточного организма , который состоит из нескольких клеток. Организмы делятся на две основные категории: прокариотические организмы и эукариотические организмы. Большинство прокариот являются одноклеточными и делятся на бактерии и археи . Многие эукариоты являются многоклеточными, но некоторые являются одноклеточными, например, простейшие , одноклеточные водоросли и одноклеточные грибы . Одноклеточные организмы считаются древнейшей формой жизни, причем ранние протоклетки, возможно, появились 3,5–4,1 миллиарда лет назад. [1] [2]
Хотя некоторые прокариоты живут колониями , они не являются специализированными клетками с различными функциями. Эти организмы живут вместе, и каждая клетка должна выполнять все жизненные процессы, чтобы выжить. Напротив, даже самые простые многоклеточные организмы имеют клетки, которые зависят друг от друга, чтобы выжить.
Большинство многоклеточных организмов имеют одноклеточную стадию жизненного цикла. Гаметы , например, являются репродуктивными одноклеточными клетками для многоклеточных организмов. [3] Кроме того, многоклеточность, по-видимому, развивалась независимо много раз в истории жизни.
Некоторые организмы частично одноклеточные, как Dictyostelium discoideum . Кроме того, одноклеточные организмы могут быть многоядерными , как Caulerpa , Plasmodium и Myxogastria .
Примитивные протоклетки были предшественниками современных одноклеточных организмов. Хотя происхождение жизни во многом все еще остается загадкой, в нынешней преобладающей теории, известной как гипотеза мира РНК , ранние молекулы РНК были основой для катализа органических химических реакций и саморепликации. [4]
Компартментализация была необходима для того, чтобы химические реакции были более вероятными, а также для дифференциации реакций с внешней средой. Например, ранний РНК-репликатор рибозим мог реплицировать другие репликаторные рибозимы с различными последовательностями РНК, если бы не содержался отдельно. [5] Такие гипотетические клетки с геномом РНК вместо обычного ДНК-генома называются « рибоцеллами » или «рибоцитами». [4]
Когда амфифилы, такие как липиды, помещаются в воду, гидрофобные хвосты объединяются, образуя мицеллы и везикулы , при этом гидрофильные концы обращены наружу. [2] [5] Примитивные клетки, вероятно, использовали самоорганизующиеся везикулы жирных кислот для разделения химических реакций и окружающей среды. [5] Из-за их простоты и способности к самоорганизации в воде, вполне вероятно, что эти простые мембраны предшествовали другим формам ранних биологических молекул. [2]
У прокариот отсутствуют связанные с мембраной органеллы, такие как митохондрии или ядро . [6] Вместо этого у большинства прокариот есть нерегулярная область, содержащая ДНК, известная как нуклеоид . [7] У большинства прокариот есть одна кольцевая хромосома , в отличие от эукариот, у которых обычно линейные хромосомы. [8] С точки зрения питания прокариоты способны использовать широкий спектр органических и неорганических материалов для использования в метаболизме, включая серу, целлюлозу, аммиак или нитрит. [9] Прокариоты относительно повсеместно распространены в окружающей среде, а некоторые (известные как экстремофилы) процветают в экстремальных условиях.
Бактерии являются одной из древнейших форм жизни в мире и встречаются практически повсюду в природе. [9] Многие распространенные бактерии имеют плазмиды , которые представляют собой короткие, кольцевые, самовоспроизводящиеся молекулы ДНК, которые отделены от бактериальной хромосомы. [11] Плазмиды могут нести гены, отвечающие за новые способности, из которых в настоящее время критически важна устойчивость к антибиотикам. [12] Бактерии в основном размножаются бесполым путем с помощью процесса, называемого бинарным делением . Однако около 80 различных видов могут подвергаться половому процессу, называемому естественной генетической трансформацией . [13] Трансформация — это бактериальный процесс переноса ДНК из одной клетки в другую, и, по-видимому, является адаптацией для восстановления повреждений ДНК в клетке-реципиенте. [14] Кроме того, плазмиды могут обмениваться с помощью пилей в процессе, известном как конъюгация . [12]
Фотосинтетические цианобактерии , возможно, являются наиболее успешными бактериями и изменили раннюю атмосферу Земли, насытив ее кислородом. [15] Строматолиты , структуры, состоящие из слоев карбоната кальция и захваченного осадка, оставшегося от цианобактерий и связанных с ними сообществ бактерий, оставили после себя обширные ископаемые записи. [15] [16] Существование строматолитов дает превосходную запись о развитии цианобактерий, которые представлены в архейской (от 4 миллиардов до 2,5 миллиардов лет назад), протерозойской (от 2,5 миллиардов до 540 миллионов лет назад) и фанерозойской (от 540 миллионов лет назад до наших дней) эпохах. [16] Большая часть окаменелых строматолитов мира может быть найдена в Западной Австралии . [16] Там были найдены некоторые из самых старых строматолитов, некоторые из которых датируются примерно 3430 миллионами лет назад. [16]
Клональное старение происходит естественным образом у бактерий и, по-видимому, обусловлено накоплением повреждений, которые могут происходить даже при отсутствии внешних стрессоров. [17]
Гидротермальные источники выделяют тепло и сероводород , что позволяет экстремофилам выживать, используя хемолитотрофный рост. [19] Археи, как правило, внешне похожи на бактерии, отсюда их первоначальная классификация как бактерий, но имеют значительные молекулярные различия, наиболее заметные в их структуре мембраны и рибосомальной РНК. [20] [21] Путем секвенирования рибосомальной РНК было обнаружено, что археи, скорее всего, отделились от бактерий и были предшественниками современных эукариот, и на самом деле более филогенетически связаны с эукариотами. [21] Как следует из их названия, археи происходят от греческого слова archaios, что означает изначальный, древний или примитивный. [22]
Некоторые археи обитают в самых биологически негостеприимных средах на Земле, и считается, что это в некотором роде имитирует ранние, суровые условия, в которых, вероятно, существовала жизнь [ требуется ссылка ] . Примерами этих архейских экстремофилов являются следующие:
Метаногены являются значительным подмножеством архей и включают в себя многих экстремофилов, но они также повсеместно распространены в водно-болотных угодьях, а также в жвачных и заднем отделе кишечника животных. [27] Этот процесс использует водород для восстановления углекислого газа в метан, высвобождая энергию в пригодную для использования форму аденозинтрифосфата . [27] Они являются единственными известными организмами, способными производить метан. [28] В стрессовых условиях окружающей среды, которые вызывают повреждение ДНК , некоторые виды архей агрегируют и переносят ДНК между клетками. [29] Функция этого переноса, по-видимому, заключается в замене поврежденной информации о последовательности ДНК в клетке-реципиенте на неповрежденную информацию о последовательности из клетки-донора. [30]
Эукариотические клетки содержат связанные с мембраной органеллы. Некоторые примеры включают митохондрии, ядро или аппарат Гольджи. Прокариотические клетки, вероятно, перешли в эукариотические клетки между 2,0 и 1,4 миллиардами лет назад. [31] Это был важный шаг в эволюции. В отличие от прокариот, эукариоты размножаются с помощью митоза и мейоза . Пол, по-видимому, является повсеместным и древним, и неотъемлемым атрибутом эукариотической жизни. [32] Мейоз, настоящий половой процесс, обеспечивает эффективное рекомбинационное восстановление повреждений ДНК [14] и больший диапазон генетического разнообразия путем объединения ДНК родителей с последующей рекомбинацией . [31] Метаболические функции у эукариот также более специализированы за счет разделения определенных процессов на органеллы. [ необходима ссылка ]
Эндосимбиотическая теория утверждает, что митохондрии и хлоропласты имеют бактериальное происхождение. Обе органеллы содержат собственные наборы ДНК и имеют бактериоподобные рибосомы. Вполне вероятно, что современные митохондрии когда-то были видом, похожим на Rickettsia , с паразитической способностью проникать в клетку. [33] Однако, если бы бактерии были способны к дыханию, для более крупной клетки было бы выгодно позволить паразиту жить в обмен на энергию и детоксикацию кислорода. [33] Хлоропласты, вероятно, стали симбионтами через аналогичный набор событий и, скорее всего, являются потомками цианобактерий. [34] Хотя не у всех эукариот есть митохондрии или хлоропласты, митохондрии обнаружены у большинства эукариот, а хлоропласты обнаружены у всех растений и водорослей. Фотосинтез и дыхание по сути являются противоположностями друг друга, и появление дыхания в сочетании с фотосинтезом обеспечило гораздо больший доступ к энергии, чем просто брожение . [ необходима цитата ]
Простейшие в значительной степени определяются своим способом передвижения, включая жгутики , реснички и псевдоподии . [35] Хотя по поводу классификации простейших ведутся серьезные споры, вызванные их огромным разнообразием, в одной системе в настоящее время в королевстве простейших выделяют семь типов: Euglenozoa , Amoebozoa , Choanozoa sensu Cavalier-Smith , Loukozoa , Percolozoa , Microsporidia и Sulcozoa . [36] [37] Простейшие, как и растения и животные, могут считаться гетеротрофами или автотрофами. [33] Автотрофы, такие как Euglena , способны вырабатывать энергию с помощью фотосинтеза, в то время как гетеротрофные простейшие потребляют пищу, либо проталкивая ее через ротоподобную глотку, либо поглощая ее псевдоподиями, что является формой фагоцитоза . [33] Хотя простейшие размножаются в основном бесполым путем, некоторые простейшие способны к половому размножению. [33] К простейшим с половой способностью относятся патогенные виды Plasmodium falciparum , Toxoplasma gondii , Trypanosoma brucei , Giardia duodenalis и виды Leishmania . [14]
Ciliophora , или инфузории, представляют собой группу простейших, которые используют реснички для передвижения. Примерами являются Paramecium , Stentors и Vorticella . [38] Инфузории широко распространены почти во всех средах, где можно найти воду, и реснички ритмично бьют, чтобы продвигать организм. [39] Многие инфузории имеют трихоцисты , которые представляют собой копьевидные органеллы, которые могут выбрасываться для поимки добычи, закрепления или для защиты. [40] [41] Инфузории также способны к половому размножению и используют два ядра, уникальные для инфузорий: макронуклеус для нормального контроля метаболизма и отдельный микронуклеус , который подвергается мейозу. [40] Примерами таких инфузорий являются Paramecium и Tetrahymena , которые, вероятно, используют мейотическую рекомбинацию для восстановления повреждений ДНК, полученных в стрессовых условиях. [ необходима ссылка ]
Амебозои используют псевдоподии и цитоплазматический поток для перемещения в окружающей среде. Entamoeba histolytica является причиной амебной дизентерии. [42] Entamoeba histolytica, по-видимому, способна к мейозу . [43]
Одноклеточные водоросли являются автотрофами, подобными растениям, и содержат хлорофилл . [44] Они включают группы, которые имеют как многоклеточные, так и одноклеточные виды:
Одноклеточные грибы включают дрожжи . Грибы встречаются в большинстве мест обитания, хотя большинство из них находятся на суше. [50] Дрожжи размножаются посредством митоза, и многие используют процесс, называемый почкованием , при котором большая часть цитоплазмы удерживается материнской клеткой. [50] Saccharomyces cerevisiae ферментирует углеводы в углекислый газ и спирт и используется при изготовлении пива и хлеба. [51] S. cerevisiae также является важным модельным организмом, поскольку это эукариотический организм, который легко выращивать. Его использовали для исследования рака и нейродегенеративных заболеваний , а также для понимания клеточного цикла . [52] [53] Кроме того, исследования с использованием S. cerevisiae сыграли центральную роль в понимании механизма мейотической рекомбинации и адаптивной функции мейоза . Candida spp . ответственны за кандидоз , вызывающий инфекции полости рта и/или горла (известные как молочница) и влагалища (обычно называемые дрожжевой инфекцией). [54]
Большинство одноклеточных организмов имеют микроскопические размеры и поэтому классифицируются как микроорганизмы . Однако некоторые одноклеточные простейшие и бактерии являются макроскопическими и видны невооруженным глазом. [55] Вот некоторые примеры: