Podobieństwa między bakteriami a organellami semiautonomicznymi
Odkąd hipoteza symbiotyczna stwierdza, że mitochondria i chloroplasty powstały z bakterii wchodzących do komórek eukariotycznych w celu utworzenia symbiotycznego związku, podobieństwa między bakteriami a tymi semiautonomicznymi organellami stanowią silny dowód na to, że hipoteza ta jest poprawna.
- Funkcja
Mitochondria mają bardzo podobne cechy do bakterii purpurowych beztlenowych. Oba wykorzystują tlen do produkcji ATP, i oba robią to za pomocą cyklu Kreb’a i fosforylacji oksydacyjnej. (mitochondria po lewej i purpurowe bakterie tlenowe po prawej)
Chloroplasty są bardzo podobne do bakterii fotosyntetycznych w tym, że oba mają bardzo podobny chlorofil, który wykorzystuje energię świetlną do przekształcenia w energię chemiczną. (Chloroplast po lewej i bakterie fotosyntetyzujące po prawej)
Mimo że istnieje wiele podobieństw między mitochondriami i purpurowymi bakteriami tlenowymi a chloroplastami i bakteriami fotosyntetyzującymi, wydają się one niewielkie i powstały na drodze ewolucji.
- Rozmiar
Rozmiar mitochondriów i chloroplastów w porównaniu z bakteriami jest kolejną prostą obserwacją, która wspiera hipotezę endosymbiotyczną. Mitochondria, chloroplasty i prokariota (bakterie) mają rozmiary od około jednego do dziesięciu mikronów. (1 mikron=1X10-6 metrów) Wydaje się to bardzo podstawowe, ale gdyby istniała duża różnica w rozmiarach między tymi trzema składnikami, hipoteza wydawałaby się fałszywa.
- DNA, RNA, rybosomy i synteza białek
Pierwszym dowodem, który należało znaleźć, aby poprzeć hipotezę endosymbiotyczną było to, czy mitochondria i chloroplasty mają własne DNA i czy to DNA jest podobne do DNA bakterii. Później udowodniono, że jest to prawdą w przypadku DNA, RNA, rybosomów, chlorofilu (w przypadku chloroplastów) i syntezy białek. To dostarczyło pierwszych istotnych dowodów na hipotezę endosymbiotyczną. Ustalono również, że mitochondria i chloroplasty dzielą się niezależnie od komórki, w której żyją.
Mitochondria posiadające własne DNA i dzielące się niezależnie od komórki są tym, co ostatecznie powoduje, że tylko mitochondrialne DNA jest dziedziczone przez matkę, ponieważ tylko komórka jajowa ma DNA, podczas gdy komórka plemnikowa nie. (Ta zależność również dodatkowo dowodzi, że odkryte cechy mitochondriów są prawdziwe.)
Taki poziom niezależności wśród półautonomicznych organelli pokazuje, że nie są one bardzo związane z jądrem lub innymi organellami komórki eukariotycznej. Skoro nie są spokrewnione, wydaje się jeszcze bardziej prawdopodobne, że mitochondria i chloroplasty były pierwotnie bakteriami, które dostały się do komórki eukariotycznej przez endocytozę, tworząc związek symbiotyczny.
Pęd ewolucyjny
Naukowcy (szczególnie Lynn Margulis) zaczęli się zastanawiać, że jeśli mitochondria i chloroplasty były rzeczywiście bakteriami, które dostały się do komórek eukariotycznych przez endocytozę, to musiał istnieć historyczny napęd, który promował ten symbiotyczny związek. Około 3,8 miliarda lat temu istniały tylko bakterie beztlenowe, ponieważ ziemska atmosfera nie zawierała tlenu. Pierwsze bakterie fotosyntetyzujące pojawiły się około 3,2 miliarda lat temu i zaczęły produkować duże ilości tlenu jako produkt uboczny fotosyntezy. Tlen jest bardzo toksyczny dla komórek, w wyniku czego te beztlenowe, fotosyntetyzujące bakterie stały się mniej skuteczne w przetrwaniu w swoim środowisku. W tym momencie, niektóre z bakterii beztlenowych przekształciły się w bakterie tlenowe. Bakterie tlenowe są znacznie lepiej przystosowane do środowiska zawierającego tlen, a nawet wykorzystują tlen w procesie wytwarzania ATP (cząsteczka, która przechowuje dużą ilość łatwo dostępnej energii). Jednym z ważnych czynników, którego brakowało obu tym bakteriom, była zdolność do pobierania dużych ilości składników odżywczych z otaczającego środowiska poprzez fagocytozę. Około 1,5 miliarda lat temu, w drodze ewolucji powstała pierwsza komórka jądrowa (eukariota), która posiadała przełomową zdolność pobierania dużych ilości składników odżywczych poprzez fagocytozę. Fakt, że bakterie, które są bardzo podobne do mitochondriów i chloroplastów, istniały przed komórką eukariotyczną świadczy o tym, że to bakterie zostały zintegrowane z komórką eukariotyczną, a nie eukariota była całkowicie oddzielna w historii ewolucji. Ta linia czasu daje również dowody na to, dlaczego symbiotyczny związek byłby korzystny.
Bakterie fotosyntetyzujące i tlenowe były naturalnie napędzane do wejścia w ten związek, ponieważ komórka eukariotyczna dostarcza zarówno ochrony, jak i składników odżywczych, a bakterie dostarczają eukariotom sposobów na wykorzystanie większej ilości energii, niż wcześniej mogły przy użyciu tylko glikolizy.
To (powyżej) jest drugi etap procesu glikolizy (jedyny etap, który faktycznie wytwarza ATP), i jak widać wytwarza on tylko 4 ATP (2 ATP netto). Kiedy ten proces jest połączony z cyklem Krebsa i fosforylacją oksydacyjną (która wymaga mitochondriów), ilość netto wyprodukowanego ATP wynosi 36-38 cząsteczek.
Przez komórki eukariotyczne pochłaniające bakterie fotosyntetyzujące, mogą one wytworzyć cząsteczki glukozy, które następnie mogą być wykorzystane do przejścia przez procesy kataboliczne w mitochondriach, a zatem komórka eukariotyczna wykorzystuje jeszcze więcej energii niż sama. Posiadanie tak dużej ilości energii do napędzania procesów komórkowych czyni tę nową komórkę eukariotyczną bardziej zdolną do przetrwania.
Podwójna warstwa fosfolipidowa
Dość prostym dowodem na hipotezę endosymbiotyczną jest fakt, że zarówno mitochondria, jak i chloroplasty mają podwójne warstwy fosfolipidowe. Wydaje się, że powstało to w wyniku wejścia mitochondriów i chloroplastów do komórek eukariotycznych poprzez endocytozę. Obie fioletowe bakterie tlenowe (podobne do mitochondriów) i bakterie fotosyntetyczne (podobne do chloroplastów) mają tylko jedną warstwę fosfolipidową, ale kiedy dostają się do innej komórki na drodze endocytozy, są wiązane przez pęcherzyk, który tworzy drugą warstwę ich podwójnej warstwy fosfolipidowej.
Ten filmik bardzo dobrze pokazuje proces endocytozy bakterii tlenowych i bakterii fotosyntetycznych.
Więcej informacji na ten temat można znaleźć na stronie internetowej.