Szacuje się, że wiek Ziemi wynosi ok. 4,6 mld lat, a pierwsze komórki powstały co najmniej 3,5 mld lat temu, a być może nawet 3,8 mld lat temu. Wskazują na to znalezione w skałach odciski bezjądrowych komórek pochodzących sprzed ok. 3,6 mld lat. Jeżeli komórki istniały już wtedy, o czym świadczą zapisy kopalne, musiały one powstać wcześniej. Powstanie życia nosi nazwę biogenezybiogenezabiogenezy.

Komórki zbudowane są ze związków organicznych, które z kolei mają początek w nieorganicznych prekursorach. Dowodem na możliwość zajścia takich przemian miało być doświadczenie Millera–Ureya, odtwarzające warunki, jakie mogły panować na Ziemi miliardy lat temu. Więcej informacji na temat tego eksperymentu znajdziesz w e‑materiale pt. Teorie biogenezyPwCuJ1mYOTeorie biogenezy.

Początki życia na Ziemi wiążą się zatem z powstaniem prostych związków organicznych, które łącząc się, utworzyły większe cząsteczki: białka, lipidy czy kwasy nukleinowe. Pierwsze komórki powstały, gdy doszło do połączenia kwasów nukleinowych z ich białkowo‑lipidowo‑cukrową obudową tworzącą błony biologiczne. Nie wiadomo jednak dokładnie, kiedy i jak do tego doszło.

R1elqJZqRaLxC1

Zdjęcie przedstawia cienkie warstwy skał. Są one kolorowe - brązowe, zielonkawe, żółte i ułożone jedna na drugiej, tworząc cienkie warstwy.

Jednym z dowodów na wczesne pojawienie się komórek są stromatolity. Stanowią one ślad obecności mikroskopijnych, bezjądrowych sinicsinicesinic i występują w wielu rejonach świata, m.in. u wybrzeży Australii. Ich komórki tworzą wiele warstw, które z biegiem czasu, powoli narastając, zaczynają przypominać skały o charakterystycznym wyglądzie. Najstarsze z odkrytych do tej pory liczą ok. 3,6–3,8 mld lat. Stromatolity są dla badaczy historii życia na Ziemi szczególnie cennym znaleziskiem, ponieważ ich narastanie, zapoczątkowane na wczesnych etapach rozwoju życia na Ziemi i zachodzące nieprzerwanie przez miliardy lat, trwa do dzisiaj. Przebiegający współcześnie proces odkładania się stromatolitów dostarcza wielu cennych informacji o tworzących je pierwotnych komórkach, przypominających dzisiejsze sinice.

Główne etapy biogenezy to:

• powstanie związków organicznych;

• powstanie pierwszych beztlenowych komórek prokariotycznych (cudzożywnych);

• powstanie komórek prokariotycznych samożywnych (chemosyntetyzujących, a następnie fotosyntetyzujących);

• powstanie komórek eukariotycznych;

• powstanie wielokomórkowych organizmów eukariotycznych.

Pierwsze komórki, unoszące się w toni wodnej w oceanie, miały prostą budowę i nie skomplikowany metabolizm. Ich niewielkie potrzeby pokarmowe zaspokajane były przez pobieranie związków organicznych, które spontanicznie powstawały w ich otoczeniu. Pierwsze organizmy na Ziemi były więc typowymi heterotrofami, czyli organizmami cudzożywnymi. Żyły one w warunkach beztlenowych, jakie panowały wówczas na Ziemi.

R1JqAMnaJzNlF

Zdjęcie mikroskopowe ukazuje beztlenowe, heterotroficzne laseczki Clostridium perfringens. Są one cienkie, długie, wybarwione na ciemnofioletowo. Niektóre są pojedyncze, inne występują w skupiskach.

Niewykluczone, że niektóre z pierwotnych komórek ewoluowały w kierunku samożywności. W tym celu miały wykorzystywać energię uwięzioną w otaczających je związkach nieorganicznych. Podobny mechanizm można zaobserwować u współcześnie występujących bakterii zamieszkujących ciepłe źródła, przeprowadzających chemosyntezęchemosyntezachemosyntezę. Wraz ze wzrostem liczby organizmów zasoby związków odżywczych powoli się wyczerpywały. W takich warunkach u niektórych heterotroficznych komórek, prawdopodobnie w wyniku wielu przypadkowych połączeń atomów, powstał chlorofilchlorofilchlorofil. Dzięki temu pojawiła się zdolność fotosyntetyzowania, czyli wykorzystywania energii świetlnej do wytwarzania związków organicznych. Dawała ona większą szansę przeżycia w zmieniającym się środowisku.

Mniej więcej 2,7 mld lat temu fotosyntetyzujące autotrofy zaczęły uwalniać tlen, będący produktem ubocznym fotosyntezy. Wskutek tego 300 mln lat później doszło do tzw. katastrofy tlenowej. Uwalniany do atmosfery tlen spowodował szereg zmian na Ziemi, w tym rozległe zlodowacenia. Wymarło także wiele beztlenowych bakterii, dla których tlen był toksyczny. Pojawienie się tego gazu w atmosferze zmodyfikowało jej właściwości i stworzyło odpowiednie warunki do rozwoju organizmów oddychających tlenowo – wykorzystujących związki organiczne do wytwarzania energii.

R1JKxxSZ01THv1

Zdjęcie spod mikroskopu ukazuje zarodźca malarycznego. Jego ciało jest podłużne, wybarwione na różowo, w ciele widoczne są ciemne, ziarniste struktury. Obok ciała zarodźca znajdują się podłużne i owalne jasnofioletowe formy.

Prostota budowy komórek bez jądra, czyli prokariotycznych (gr. pro – przed; karyon – jądro), skłania naukowców do stwierdzenia, że to właśnie te komórki zapoczątkowały życie na Ziemi. Potwierdzeniem hipotezy, że pierwsze pojawiły się organizmy prokariotyczne, są wspomniane stromatolity.

Jednak konieczność wykształcenia nowych rozwiązań metabolicznych doprowadziła do komplikacji budowy. Organizmy jednokomórkowe zaczęły wchodzić ze sobą w zależności przypominające symbiozęsymbiozasymbiozę – związek opierający się na obopólnych korzyściach.

Wielu naukowców uważa, że powstanie jądra komórkowego to efekt endosymbiozy komórki linii Archaea z komórką linii Bacteria. W ten sposób powstały komórki eukariotyczne (gr. eu – właściwe; karyon – jądro). Pierwotna symbioza polegała na wnikaniu jednych komórek do innych i stopniowej utracie samodzielności. Teoria endosymbiozy tłumaczy także powstanie organelli komórkowych, wyspecjalizowanych w odmiennych procesach metabolicznych. W ten sposób powstały mitochondria i plastydy komórek roślinnych, a śladem utraconej autonomii komórek symbiotycznych jest ich cząsteczka DNA, która ma cechy zbliżone do DNA komórek prokariotycznych (brak histonów, kolisty kształt cząsteczki, geny ciągłe, nieprzedzielone odcinkami niekodującymi).

R1VKuYlSwP6xE

Schemat przedstawia pierwotną endosymbiozę, czyli powstanie chloroplastu jako proces pochłonięcia komórki sinicy. Na ilustracji pokazano trzy etapy endosymbiozy. W postaci niebieskiego owalu zaznaczono komórkę eukariotyczną, w jej wnętrzu jest ciemnoniebieskie jądro i pomarańczowe mitochondrium z charakterystycznie pofałdowaną błoną wewnętrzną. Komórka otoczona jest błoną komórkową. W jednym miejscu błony znajduje się wbita częściowo owalna, zielona sinica. W kolejnym etapie sinica wnika do wnętrza komórki. Otoczona jest błoną, podpisaną jako błona fagosomalna. W kolejnym, trzecim etapie we wnętrzu komórki znajduje się jądro, mitochondrium oraz element opisany jako chloroplast z podwójną błoną (pierwotny endosymbiont). Ma on postać owalną ze spiczastymi końcami. Kształtem przypomina łódkę.

Szacuje się, że pierwsze organizmy wielokomórkowe pojawiły się ok. 1,5 mld lat temu. Prawdopodobnie powstały z organizmów jednokomórkowych, które nie rozłączały się po podziale albo zaczęły tworzyć zorganizowane, wielokomórkowe grupy – kolonie. Z takich grup rozwinęły się formy wielokomórkowe wyspecjalizowane w pełnieniu określonej funkcji, co doprowadziło do powstania tkanek.

W świecie roślin pierwszymi wielokomórkowymi organizmami były niewielkie glony – prawdopodobnie zielenice. Świadczą o tym skamieniałości pochodzące sprzed 1,2 mld lat.

Pierwsze wielokomórkowe zwierzęta pojawiły się ok. 900 mln lat temu. Wyglądem przypominały współczesne gąbki i parzydełkowce. Zasiedlały płytkie, przybrzeżne strefy mórz.

Słownik