Similitudini tra i batteri e gli organelli semiautonomi
Poiché l’ipotesi simbiotica afferma che i mitocondri e i cloroplasti sono nati da batteri che sono entrati in una cellula eucariotica per formare una relazione simbiotica, le somiglianze tra i batteri e questi organelli semiautonomi mostrano forti prove che questa ipotesi è corretta.
- Funzione
I mitocondri condividono caratteristiche molto simili con i batteri aerobi. Entrambi usano l’ossigeno nella produzione di ATP, ed entrambi lo fanno usando il ciclo di Kreb e la fosforilazione ossidativa. (mitocondri a sinistra e batteri aerobici viola a destra)
I cloroplasti sono molto simili ai batteri fotosintetici in quanto entrambi hanno clorofilla molto simile che sfrutta l’energia luminosa per convertirla in energia chimica. (Cloroplasto a sinistra e batteri fotosintetici a destra)
Anche se ci sono molte somiglianze tra mitocondri e batteri aerobi viola e cloroplasti e batteri fotosintetici, esse sembrano essere lievi e sorte per evoluzione.
- Dimensione
La dimensione dei mitocondri e dei cloroplasti rispetto ai batteri è un’altra semplice osservazione che supporta l’ipotesi endosimbiotica. I mitocondri, i cloroplasti e i procarioti (batteri) hanno dimensioni che vanno da uno a dieci micron circa. (1 micron=1X10-6 Metri) Questo sembra molto elementare, ma se ci fosse una grande differenza di dimensioni tra questi tre componenti, l’ipotesi sembrerebbe essere falsa.
- DNA, RNA, Ribosomi e Sintesi proteica
La prima prova che doveva essere trovata per sostenere l’ipotesi endosimbiotica era se i mitocondri e i cloroplasti avessero o meno il proprio DNA e se questo DNA fosse simile a quello batterico. Questo fu poi dimostrato essere vero per il DNA, l’RNA, i ribosomi, la clorofilla (per i cloroplasti) e la sintesi proteica. Questo fornì la prima prova sostanziale per l’ipotesi endosimbiotica. È stato anche determinato che i mitocondri e i cloroplasti si dividono indipendentemente dalla cellula in cui vivono.
I mitocondri hanno il loro proprio DNA e si dividono indipendentemente dalla cellula è ciò che alla fine risulta che solo il DNA mitocondriale viene ereditato dalla madre, poiché solo una cellula uovo ha DNA, mentre una cellula spermatica no. (Questa relazione dimostra anche che le caratteristiche scoperte dei mitocondri sono vere.)
Questo livello di indipendenza tra organelli semiautonomi dimostra che non sono molto legati al nucleo o ad altri organelli di una cellula eucariotica. Dato che non sono imparentati, sembra essere ancora più probabile che i mitocondri e i cloroplasti fossero in origine dei batteri che sono entrati nella cellula eucariotica tramite endocitosi per formare una relazione simbiotica.
Evolutionary Drive
Gli scienziati (in particolare Lynn Margulis) hanno poi iniziato a pensare che se i mitocondri e i cloroplasti erano veramente dei batteri che sono entrati nelle cellule eucariotiche tramite endocitosi, allora ci deve essere una spinta storica per promuovere questa relazione simbiotica. Circa 3,8 miliardi di anni fa, esistevano solo batteri anaerobici perché l’atmosfera terrestre non conteneva ossigeno. I primi batteri fotosintetici sono sorti circa 3,2 miliardi di anni fa e hanno iniziato a produrre grandi quantità di ossigeno come sottoprodotto della fotosintesi. L’ossigeno è molto tossico per le cellule e, di conseguenza, questi batteri anaerobici e fotosintetici divennero meno efficaci nel sopravvivere nel loro ambiente. A questo punto, alcuni dei batteri anaerobi si sono evoluti in batteri aerobi. I batteri aerobici sono molto più adatti a questo ambiente contenente ossigeno e usano persino l’ossigeno nel processo di produzione dell’ATP (una molecola che immagazzina una grande quantità di energia facilmente accessibile). Un fattore importante che mancava ad entrambi i batteri era la capacità di ingerire grandi quantità di nutrienti dall’ambiente circostante attraverso la fagocitosi. Circa 1,5 miliardi di anni fa, la prima cellula nucleata (l’eucariote) è nata attraverso l’evoluzione, e questa cellula aveva l’innovativa capacità di ingerire grandi quantità di nutrienti attraverso la fagocitosi. Il fatto che i batteri, che sono molto simili ai mitocondri e ai cloroplasti, esistevano prima della cellula eucariotica dimostra che sono stati i batteri ad essere integrati in una cellula eucariotica piuttosto che gli eucarioti ad essere completamente separati nella storia evolutiva. Questa linea temporale fornisce anche prove del perché una relazione simbiotica sarebbe vantaggiosa.
I batteri fotosintetici e aerobi sono stati naturalmente spinti a entrare in questa relazione perché la cellula eucariotica fornisce sia protezione che sostanze nutritive, e i batteri forniscono agli eucarioti modi per sfruttare più energia di quella che potevano precedentemente usando solo la glicolisi.
Questa (sopra) è la seconda fase del processo di glicolisi (l’unica fase che produce effettivamente l’ATP), e come potete vedere produce solo un totale di 4 ATP (2 ATP netti). Quando questo processo è combinato con il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa (che richiede i mitocondri), la quantità netta di ATP prodotta è di 36-38 molecole.
Con le cellule eucariotiche che inglobano i batteri fotosintetici, potrebbero creare molecole di glucosio che potrebbero poi essere usate per passare attraverso i processi catabolici nei mitocondri, e quindi, la cellula eucariotica sfrutta ancora più energia di quanto farebbe da sola. Avere così tanta energia per guidare i processi cellulari rende questa nuova cellula eucariotica più adatta alla sopravvivenza.
Doppio strato fosfolipidico
Una prova abbastanza semplice per l’ipotesi endosimbiotica è il fatto che sia i mitocondri che i cloroplasti hanno doppi strati fosfolipidici. Questo sembra essere sorto da mitocondri e cloroplasti che entrano nelle cellule eucariotiche attraverso l’endocitosi. Entrambi viola, i batteri aerobici (simili ai mitocondri) e i batteri fotosintetici (simili ai cloroplasti) hanno solo un bilayer fosfolipidico, ma quando entrano in un’altra cellula tramite endocitosi, sono legati da una vescicola che forma il secondo strato del loro doppio bilayer fosfolipidico.
Questo video mostra molto bene il processo di endocitosi dei batteri aerobici e fotosintetici.