Razvoj celic lahko opišemo s tremi ključnimi koraki: razvoj organskih snovi v obliki monomerov, polimerizacija posameznih enot monomerov v polimere in razvoj celic. Delitev celic na prokariontske (bakterije) in evkariontske temelji na tem, ali imajo celice jedro ali ne.

Razlike med celicami:

Kljub tem razlikam pa so ključni življenjski mehanizmi pri obeh vrstah celic enaki, kar kaže na to, da izhajata iz skupnega prednika.

Prve celice
Fosilni in biokemični dokazi kažejo, da se je življenje na Zemlji začelo pred vsaj 3,8 milijarde let, kar je približno 750 milijonov let po nastanku planeta. Začetka ne moremo natančno poustvariti v laboratoriju, zato je na tem področju več hipotez. Kljub temu pa več vrst poskusov prinaša pomemben vpogled v nastanek prvih celic.

Po letu 1920 so znanstveniki prvič predlagali hipotezo, da enostavne organske molekule (molekule, ki gradijo žive organizme) lahko nastajajo in spontano polimerizirajo v makromolekule pri pogojih, ki so obstajali v atmosferi primitivne Zemlje. V času, ko je nastalo življenje, v atmosferi ni bilo veliko ali pa nič prostega kisika, v glavnem so jo sestavljali ogljikov dioksid, dušik in manjše količine vodika, ogljikovega monoksida in vodikovega sulfida. Takratno reducirajoče okolje skupaj z več viri energije (sončna svetloba, strele, vulkanska dejavnost) je omogočalo spontano nastajanje organskih molekul.

V petdesetih letih prejšnjega stoletja je to hipotezo z eksperimentom v laboratoriju potrdil doktorski študent Stanley Miller. V poskusu je pokazal, da električne iskre v mešanici vodika, metana in amonijaka v prisotnosti vode povzročijo nastanek skupine organskih molekul, med njimi tudi več aminokislin. Njegov poskus dobro razlaga, kako je lahko v preteklosti prišlo do spontane sinteze organskih molekul, s čimer je bil zagotovljen osnovni material, iz katerega so nastali živi organizmi. Kemijske procese, ki so pripeljali do razvoja celic, imenujemo kemična evolucija. Pomnoževanje, variacije in naravna selekcija se ne dogajajo le v populacijah živih bitij, ampak tudi v populaciji molekul.

Naslednji korak v evoluciji je bil nastanek makromolekul. Za osnovne gradnike (npr. aminokisline, nukleotide) makromolekul so pokazali, da lahko pod takratnimi okoljskimi pogoji spontano polimerizirajo. V današnjih celicah poznamo dve skupini molekul, ki nosijo informacije: nukleinske kisline in proteine. Nukleinske kisline so tiste, ki se lahko tudi pomnožujejo. Ko so ugotovili, da lahko RNK tudi katalizira (pospeši) več kemijskih reakcij, je postalo jasno, da je bil RNK verjetno prva molekula, ki je nosila genetske informacije.

Še danes v celicah obstajajo tako imenovani ribocimi (RNK-molekule, ki delujejo kot encimi), ki so fosili delovanja primitivnih celic. Začetek molekulske evolucije je torej temeljil na RNK-molekulah, sposobnih samopomnoževanja – to obdobje danes imenujemo RNK-svet. Pozneje so začele molekule RNK sodelovati z aminokislinami in nastal je današnji genetski kod (po trije nukleotidi na RNK zapisujejo eno aminokislino), nazadnje pa je DNK nadomestil RNK kot glavno informacijsko molekulo. Razlog za to je verjetno večja stabilnost DNK.

Prve celice so nastale, ko je RNK obdala membrana, sestavljena iz lipidnega dvosloja. Membrana je nudila zaščito pred zunanjim okoljem ter prostorsko omejila biokemične reakcije v notranjost mehurčka. Če molekula, ki kodira uporaben encim, prosto plava v vodi, bodo vse sosednje molekule imele korist od njenega produkta. Če pa je omejena z membrano, bo korist imela le "primitivna celica", ki bo imela zaradi tega prednost pred drugimi. To pa je gonilo evolucije.

Ker na začetku zemljina atmosfera še ni vsebovala kisika, so prve celice energijo pridobivale z razgradnjo organskih molekul v procesu, kjer kisik ni potreben (npr. glikoliza). Razvoj fotosinteze je bil naslednji večji korak v evoluciji. Fotosinteza organizmom omogoča izrabo sončne svetlobe, pri čemer nastaja energija, sprošča pa se kisik). Naenkrat je bilo v atmosferi na voljo veliko kisika.

Splošno priznano je, da je to vodilo v razvoj celičnega dihanja (oksidativnega metabolizma), ki je veliko učinkovitejše kot glikoliza. Na primer razgradnja glikoze v procesu celičnega dihanja proizvede 36-38 enot energije (molekul ATP), razgradnja z glikolizo pa le dve.

Razvoj bolj zapletenih celic
Prokariontske celice so v glavnem bakterije. So okrogle ali paličaste oblike s premerom nekje 1–10 μm. Njihov DNK je v citoplazmi celice in vsebuje od 0,6 milijona do 5 milijonov baznih parov, kar lahko zapisuje nekje 5.000 različnih proteinov.

Evkarionti so se razvili pred 2,7 milijarde let, nekje od 1 do 1,5 milijarde let za prokarionti. Evkariontske celice so veliko večje in bolj zapleteno zgrajene. Genetski material je v jedru, imajo pa tudi več celičnih organelov, ki so pomembni za izvajanje različnih funkcij. Prav razdelitev na organele evkariontskim celicam omogoča njihovo učinkovito delovanje. Organeli omogočajo približanje molekul in ustrezno okolje za specifične biokemične reakcije. Dva od teh organelov, mitohondrij in kloroplast, sta pomembna pri proizvodnji energije. Mitohondriji so v skoraj vseh evkariontskih celicah in so mesto, kjer poteka celično dihanje. Kloroplasti so mesto fotosinteze in so le v rastlinskih celicah in celicah zelenih alg.

Evkariontske celice so nastale s sožitjem prokariontov – govorimo o endosimbiontski teoriji. To teorijo podpirajo predvsem študije mitohondrijev in kloroplastov, ki pravijo, da so se razvili iz bakterij, ki so živele v večjih celicah. Tako mitohondriji kot kloroplasti so po velikosti podobni bakterijam in se enako kot bakterije razmnožujejo z enostavno delitvijo. Najpomembneje pa je, da vsebujejo svoj lasten DNK, na katerem so zapisane nekatere njihove gradbene enote. Mitohondrijski in kloroplastni DNK se pomnoži vsakič, ko se celica deli. Mitohondriji in kloroplasti torej vsebujejo svoj lasten genetski sistem, ki se razlikuje od genetskega sistema v jedru celice. Pridobitev celičnega dihanja oziroma fotosinteze, je za te celice pomenila pomembno evolucijsko prednost in med drugim omogočila tudi razvoj mnogoceličnih organizmov.

Mojca Jež, univ. dipl. biotehnologinja