אבולוציה של תאים

היכולות המטבוליות של תאים התפתחו במסלולים רבים. המטבוליזם הראשוני של התאים אפשר הפקה של אנרגיה וסינתזה של אבני בניין ראשוניים (Primary metabolite) למטרות גדילה ולחלוקה של התאים. התפתחות מסלולים מטבוליים נוספים אפשרו התפתחות אמצעי הגנה כנגד הסביבה החיצונית, כגון רעלנים (Toxins). תהליכים אלה קרויים תהליכים מטבוליים משניים(Secondary metabolite) .^[5][6] האבולוציה של המטבוליזם התוך-תאי היא תוצאה של התפתחות האברונים השונים בפרוקריוטה ובאיוקריוטה.

התא הפרוקריוטי הוא תא פשוט יחסית הבנוי מציטופסלזמה בה נמצא נוקלאואיד האחראי על ייצור חלבוני התא. התא הפרוקריוטי עטוף בממברנה בררנית המווסתת את תהליכי העברת חומרים אל התא ומתוכו.^[2] התא הפרוקריוטי מצויד בדופן תא סביב הממברנה, אשר מקנה יציבות ועמידה בפני שינויי לחצים אוסמוטיים. לעיתים, סביב דופן התא מצויה קפסולה רירית פוליסכרידית, המקנה לתא הגנה בפני חומרים זרים ואמצעי אחיזה טובה למשטחים. לחלק מהתאים הפרוקריוטיים יש שוטון אחד או יותר במקנה לתא את היכולת לנוע לכיוון מקורות מזון ולהתרחק מחומרים טוקסיים' תהליך הקרוי כמוטקסיס. על פני התא הפרוקריוטי יש גם שלוחות דקיקות הקרויות פילי (Pilus) המקנות לו כושר אחיזה על משטחים ומאפשרות לו ליצור ביופילמים. הביופילמים מהווים מערכת אקולוגית עצמאית המאפשרת קיום אוכלוסיות מעורבות של חד-תאיים בתנאי קיצון.

בתא האיוקריוטי ישנם אברונים רבים נוספים, בעלי תפקידים מגוונים, המאפשרים מטבוליזם יעיל. התמיינות של התאים העובריים הראשוניים והפיכתם לרקמות מתרחשת הודות ליכולת הביטוי הגנטי הטמון בגנים.^[7] בתהליך ההתמיינות התאית חלים שינויים משמעותיים בגודל ובמבנה של התאים, בפעילות המטבולית שלהם, בתגובתם לאיתותים חיצוניים ובתפקודי קרום התא.^[8]

בממלכת הפרוטיסטה, השייכת לעל-ממלכת האיוקריוטיים, רוב היצורים הם חד-תאיים ומיעוטם רב-תאיים חסרי יכולת להתארגן ברקמות. בשלוש הממלכות האחרות - עובשים, צמחים ובעלי-חיים מצויים יצורים רב-תאיים בעלי יכולת לבנות רקמות.^[9][10] ארגון רב-תאי של יצורים חד-תאיים התרחש כנראה לפני 3-3.5 מיליארד שנים, על ידי הכחוליות - הציאנובקטריה . ההשערה המדעית היא כי הארגון הרב-תאי של תאים בעלי מבנה דומה הקרוי clonal multicellularity^[11], התרחש עקב כוחות אדהזיה בין תאים דומים. כך נוצרו צבירי תאים בעלי תכונות דומות שהקנו להם יכולת איסוף מידע מן הסביבה בצורה טובה יותר מתא בודד, למשל, על ידי פיתוח כימוטקסיס למקורות אנרגיה, המאפשר ניצול מקורות מזון יעיל יותר. הצבר הרב-תאי מקנה הגנה טובה יותר לחלק מתאי הצבר, לעומת התא הבודד החשוף לתנאים חיצוניים. כיום, ניתן לראות כי בבעלי חיים התפתחו סוגי תאים רבה יותר בהשוואה לצמחים. אפשרות נוספת היא יצירת צבר רב-תאי אשר מורכב מתאים ממקורות שונים, אשר מקנים לו תכונות מגוונות. בעוד שבצמחים ידועים כ־10-20 סוגי תאים, הרי שבבעלי-חיים התפתחו כ-100–150 סוגים של תאים.^[10]

האבולוציה של המטבוליזם התוך-תאי היא פרי ההסתגלות לסביבה החיצונית על ידי צברי תאים. על פי ההשערה, התאים הראשונים שהתפתחו על פני כדור הארץ היו תאים אוטוטרופיים המסוגלים ליצור מולקולות אורגניות מגז דו-תחמוצת הפחמן ששימש כמקור לפחמן ומים, בתהליכי פוטוסינתזה או בראקציות כימיות של מולקולות אי-אורגניות.^[12] בהמשך האבולוציה, התפתחו התאים ההטרוטרופיים, אשר מסוגלים להשתמש בחומרים אורגניים המיוצרים על ידי מיקרואורגניזמים אחרים, אך אינם מסוגלים ליצור חומרים אורגניים מחומרים אי-אורגניים. מקור האנרגיה של תאים הטרוטרופיים הוא מאורגניזמים הטרוטרופיים אחרים או מאורגניזמים אוטוטרופיים.^[13] כך התפתחו התאים הספרופיטיים, שמסוגלים להתקיים על חומרים אורגניים שהשתחררו מאורגניזמים אחרים והתפרקו למולקולות הניתנות לספיגה. כך התפתחו גם התאים הפגוטרופיים^[14] שמסוגלים לבלוע חלקיקים ולפרק אותם, ולבלוע חלקיקים בתהליך של פגוציטוזה. על פי תאוריה אחרת, התאים הראשונים היו התאים הטרוטרופים שהתפתחו באוקיינוסים הקדומים, שהיו עשירים בחומרים אורגניים שנהנו מריבוי של ראקציות כימיות בטמפרטורות גבוהות.^[15]

האברונים המצויים בתא הם מבנים בעלי תפקידים מגוונים המתוחמים על ידי קרומים בררניים. בתאים הפרוקריוטים מצויים מספר מצומצם של אברונים ואילו בתאים האיוקריוטיים מצוי מגוון רחב של אברונים.

בתאים האיקריוטים התפתחו מספר אברונים: גרעין התא, הרשתית התוך-פלזמתית, מערכת גולג'י, הפראוקסיזומים, והמיטוכונדריה.

האברונים מצויים בציטוזול של התא המהווה כ־30% מנפחו. הציטוזול הוא תמיסה קולואידית מימית המשמשת להעברת חומרים אל האברונים והפוך^[16] השומר על מאזן pH אופטימלי תוך-תאי (אנ') בין 7.0-7.4, פרט לתאים מיוחדים, כגון תאי השריר שבהם ה-pH נע בין 6.8-7.1.^[17]

הציטוזול שומר על פוטנציאל (אנ') חיזור-חימצון red-ox מאוזן המאפשר תהליכים ביוכימיים רציפים.^[18] היכולת לשמר תנאים תוך תאיים יציבים מתאפשרת הודות לתהליכי הומאוסטזיס שמטרתו ויסות תהליכים ביוכימיים בתאים השונים, תוך ניצול היכולת להעביר אותות מתא לתא אמצעות קולטנים מעבירי מידע לגרעין התא. ביכולתו של הגרעין לקלוט, להעריך ולאותת באותות ספציפיים לתאים, לרקמות ולאברים אחרים. התהליכים ההומאוסטטיים גורמים לאורגניזם לתקן את הסטייה מן הערכים הנורמליים.^[19] על ידי כך מובטחים תנאים תוך-תאיים אופטימליים למימוש תפקוד תוך תאי תקין, חרף התנאים החוץ-תאיים.

אנדוסימביוזה ואברוני התא

אנדוסימביוזה מוגדרת כתהליך של התפתחות מספר אברונים תוך-תאיים, כגון המיטוכונדריה והכלורופלסטים בתאים איוקריוטיים.^[20] החוקרת לין מרגוליס ייסדה את תאוריית האנדוסימביוזה, שלפיה בתחילת האבולוציה של עולם החי, תאים פרוקריוטיים גדולים בלעו תאים פרוקריוטיים קטנים יותר שהכילו מיטוכונדיה או כלורופלסטים קדמוניים. על פי תאוריה זו, חיידקים אווירניים בלעו חיידקים קדומים נושאי כלורופלסטים או שבלעו חיידקים קדומים שנשאו מיטוכונדריה. מאחר שהחיידקים הגדולים לא הצליחו לעכל את החיידקים הקטנים, אלה המשיכו להתקיים ביחסים של סימביוזה הדדית והפכו במשך הזמן לחלק אינטגרלי של התא האיוקריוטי הבולע. לפי התאוריה החדשה יחסית של החוקר האמריקאי דויד באום, התא האיוקריוטי נוצר לא על ידי אנדוסימביוזה אלא באמצעות יצירת שלוחות תאיות של תאים קדומים גדולים, עטיפת מספר תאים קטנים יותר פרוטומיטוכונדריאליים, ויצירת מערכת קרומים המקשרת בין המיטוכונדריה לעתיד לבין גרעין התא.^[21]

הקרומים התוך-תאיים

התפתחות הקרומים התוך-תאיים העוטפים את אברוני התא היא תהליך של חדירת קרום התא - outside inside mechanism. הקרומים הם בעלי חדירות בררנית ומבנה דו-שכבתי פוספוליפידים החוצץ בין הסביבה החיצונית לפנימית ושומר על המבנה הפנימי של התא.^[22]

התפתחות האברונים התוך-תאיים

האברונים שהתפתחו בתאים הפרוקריוטים מצויים כיום הן בתאים הפרוקריוטיים והן באיוקריוטים, ונמנים עליהם הריבוזומים, שלד התא (ציטוסקלטון), הליזוזומים, הכלורופלסטים, המיטוכונדריה והשוטונים. ההשערה הרווחת היא כי הריבוזומים הראשונים נוצרו לפני 3 מיליארד שנים.^[23]

השלד הציטופסמתי הוא מבנה רשתי הקרוי cytomotive filaments. זהו מבנה תלת-חלבוני, המצוי בתאים פרוקריוטיים כגון חיידקים וגם בתאים האיקריוטים.^[24][25] תפקידו לייצב את המבנה המרחבי של התא ואת מיקום האברונים בחללו. הוא מעניק לתאים הבודדים את יכולת התנועתיות במרחב ומאפשר חלוקה תקינה והתמיינות תאים.^[26]

הליזוזום הוא אברון בעל פונקציות קטבוליות רב-גוניות, הפועל להגנה על תאים. תוכנו חומצי (4.5-pH) והוא מכיל אנזימים קטאבוליים-חומציים שנועדו לפרוק חומרי פסולת על ידי הידרוליזה אנזימטית חומצית. לליזוזומים תפקיד הגנתי אנטימיקרוביאלי (אנ'), על ידי הליזוזים הממיס את דופן התא של חיידקים. מבחינה אבולוציונית, משערים שהליזוזומים נוצרו בתאים האיוקריוטיים ממבנה גולג'י^[27] והם מקנים לתאים את היכולת לפרק ביעילות חומרי פסולת ומונעים הצטברות של חומרים רעילים ברקמות הגוף (מערכת העצבים וכליות). מוטציות הגורמות לשינויים בגנים האחראים לפרוק חומרי פסולת על ידי האנזימים הליזוזומליים, גורמות להצטברות חומרי פסולת ברקמות שונות (סינדרום בשם מחלת אגירה ליזוזומלית).^[28]

פגוציטים המצויים בבעלי חיים חסרי-חוליות ובעלי-חוליות הם תאים הבולעים חיידקים ומפרקים אותם על ידי המסת הדפנות.^[29][30] בתהליך הבליעה, הגופים הזרים מוחדרים לחלוליות התא ומתמזגים עם הליזוזומים שבתא. שחרור האנזימים הקטליטיים אל תוך הוקואולות מאפשר את קטילת החיידקים.

בתאים פרוקריוטיים החלוליות משמשות כמקום לאגירת חומרים בעלי מולקולות גדולות^[31] הנבלעים על ידי התא בתהליך הפגוציטוזה.

התפתחות אברונים בתאים איוקריוטיים

אברוני חלוקה ומטבוליזם

החומר הגנטי בתא האיוקריוטי מצוי בגרעין התא, והוא עטוף בקרום דו-שכבתי.^[32] גרעין התא אחראי על חלוקת התא - מיטוזה. אל הגרעין מחובר אברון הקרוי הרשתית התוך-פלזמית (endoplasmic reticulum) שבנוי מרשת סבוכה של קרומים, צינוריות ובועיות זעירות ומתחבר גם אל קרום התא. הרשתית התוך-פלזמית ממלאה תפקידים מטבוליים מורכבים: ביוסינתזה (אנ') של חלבונים וקיפולם, ביוסינתזה של פוספוליפידים וסטרואידים, מטבוליזם של פחמימות ואגירת סידן. הרשת בעלת יכולת לביצוע שינויים דינאמיים רבים. ליד שני האברונים האלה, מצוי אברון שלישי בשם מבנה גולג'י שתפקידו העברת חלבונים ושומנים מן התא לסביבה החיצונית. הימצאותם של הרטיקולום האנדופלסמטי ומבנה גולג'י בכל ארבע ממלכות האיוקריוטה מעידה על התפתחות האברונים האלה בשלבים הראשונים של על-ממלכה זו.^[33][34][35]

משערים שהמיטוכונדריה והכלורופלסטים המצויים בתאים האיוקריוטיים, מוצאם מתהליכי אנדוסימביוזה שבהם תא פרוקריוטי גדול בלע תאים פרוקריוטים קטנים יותר וכך נוצרו התאים האיוקריוטים. ההנחה הרווחת היא שהימצאות המיטוכונדריה באיוקריוטה נובעת מתהליך של אנדוסימביוזה שהיא תהליך של בליעת חיידק קדום - Rhodospirillum rubrum השייך לקבוצת ה-α-proteobacteria, על ידי חיידק גדול יותר השייך לקבוצת הארכאה.^[36]

קיימת סבירות גבוהה שגם הכלורופסטים נוצרו כתוצאה מתהליך של אנדוסיביוזה. מקורם מחיידקים קדומים מממלכת העל-בקטריה שבלעו חיידקי ציאנובקטריה, נושאי כלורופלסטים^[37] המבצעים את תהליך ההטמעה, הודות להתפתחות הגן Ycf54 v האחראי ליצירת הכלורופיל.^[38]

השערה זו מתבססת על העובדה שהריבוזומים בחלל התא של יצורים איוקריוטיים הם מסוג 80S, בעוד שהריבוזומים המצויים בכלורופלסטים ובמיטוכונדריה הם מן הדגם הפרוקריוטי של 70S. עובדה זו מחזקת את ההשערה שאברונים אלו מקורם מחיידקים קדמונים (על פי תאוריית האנדוסימביוזה) אשר חברו לתא האאוקריוטי והפכו לחלק ממנו. תפקידה של המיטוכונדריה הוא הפקת אנרגיה בתהליך של נשימה תאית. תפקיד הכלורופלסטים הוא לבנות חומרים אורגניים מחומרים אי-אורגניים על ידי הכלורופיל המצוי בתוכם, תוך ניצול הפוטונים של השמש. תהליך זה קרוי פוטוסינתזה. שני האברונים הללו אחראים על תהליכים שבהם נוצרים רדיקלים חופשיים.^[39] רדיקלים חופשיים ידועים כקרצינוגנים, ולכן כמענה להיווצרות רדיקלים חופשיים ועל מנת להתגונן בפניהם, המיטוכונדריה והכלורופלסים פיתחו יכולות לסינתזה של המלטונין שהוא בעל היכולת לנטרל רדיקלים חופשיים.^[40]

אברוני הגנה

הפראוקסיזומים הם אברונים בעלי תפקידים ייחודיים ברקמות של בעלי חיים שונים, מעורבים הן בתהליכי גליקוליזה ובסינתזה של ליפידים והן בפרוק רדיקלים של חימצון, המסוכנים לבריאות.^[41] תאי הכבד, אחראים על פירוק מטבוליטים טוקסיים, עשירים בפראוקסיזומים. מוצאם המשוער הוא תהליך אנדוביוזה או תהליך הקרוי outside-inside process.^[42]

אברוני תנועה

השוטון הוא אברון חיצוני המורכב מחלבונים בעלי יכולת תנועתיות. האבולוציה של שוטונים החלה בממלכת ארכיאה (החיידקים הקדמונים) ובעל-ממלכה בקטריה השייכים לפרוקריוטים ועד לאיקריוטים.^[43] שוטונים מצויים גם בעל-ממלכה פרוטיסטה השייכים לאיקריוטה וכן בתאים של צמחים ובעלי חיים, כגון תאי רבייה זכריים המאפשרים לתאים תנועתיות לצורך חדירה אל תא הרבייה הנקבי. קיים הבדל מהותי במבנה השוטון הפרוקריוטי לעומת זה האיקריוטי,^[44] כאשר במקרה הראשון, בסיס השוטון מצוי מחוץ לקרום התא ואילו במקרה השני בסיס השוטון קשור לגופים בסיסיים הקשורים לממברנה של התא. השוטון הפרוקריוטי בעל תנועה סלילונית, מונע על ידי "מנוע" בבסיס השוטון, ואילו השוטון האיקריוטי בעל תנועותיות פיתולית של הצלפה קדימה אחורה. השוני המהותי במבנה ובתפקוד של השוטונים מעיד על דרכי אבולוציה שונות.

"השערת עולם ה-RNA" גורסת כי בשלבים הראשונים של אבולוציית התאים התהליכים המשמעותיים של העברת הקוד הגנטי ותהליכי קטליזה שונים התרחשו באמצעות חומצות הגרעין מקבוצת ה-RNA.^[45] בהמשך התפתחו תהליכים מטבוליים נוספים אשר מבוצעים על ידי אנזימים, שבנויים מחלבונים שאבני היסוד שלהם הם חומצות האמינו, והעברת הקוד הגנטי שלהם מתבצעת על ידי חומצות גרעין מקבוצת ה-DNA.

בטבע קיימים שני מנגנוני התרבות - רביה א-זוויגית (וגטטיבית) אשר קיימת בכל התאים הפרוקריוטיים, ורבייה זוויגית (התרבות מינית) (אנ') אשר קיימת בכל האורגניזמים האיוקריוטיים.^[46] בממלכת הפרוטיסטה, חלק מהמיקרואורגניזמים החד-תאיים מתרבים ברבייה מינית וחלקם ברבייה וגטטיבית. החוקרים Hoffstate ו-Lahr סבורים שההתרבות המינית החלה בתאים עם גנום קדום בעל מבנה של RNA. סביר להניח שהתאים הקדומים הכילו גנום אחד, וכתוצאה מכך היה להם קצב התחלקות מהיר. ייתכן כי נזקים אקראיים אירעו בנוקלאוטיד ה-RNA, דבר אשר מנע את חלוקת התא. מיזוג עם תא פרוקריוטי הוביל לתיקון הנזק של החומר הגנטי והשבת יכולת ההתרבות. תהליך כזה קיים בהווה בווירוסים בעלי סגמנט RNA אחד, כגון וירוס השפעת - (Influenza A). התהליך האבולוציוני של ההתרבות הוביל להתפתחות הסליל הכפול של חומצות הגרעין.^[47]

המחקר המודרני של פיענוח הרצף הגנטי של גנומים משמש ככלי למחקר האבולוציה של התאים הראשוניים על פני כדור הארץ. על בסיס הפיענוח של כל הגנום ניתן להעריך מחדש סכמות אבולוציוניות שהתבססו על סגמנטים ריבוזומליים, כגון סגמנט (SSU rRNA) המצוי בריבוזומים של החיידק אשריכיה קולי וגם במיטוכונדריה ובתאים של בני אדם. האנליזה של כל גנום השמרים מצביעה על כך שרבים מן הגנים של קבוצה זו קרובים יותר לגנים של חיידקים השייכים למלכת הבקטריה מאשר לגנים השייכים לחיידקים ממלכת הארכאה. על פי המחקר הגנומי הגיעו למסקנה שהתאים האיוקריוטים לא התפתחו מן הארכאה, בניגוד להשערות העבר שהתבססו על נוכחות הסגמנט הריבוזומלי SSU rRN. ההנחה כיום גורסת שהתא בעל הגרעין האיוקריוטי הראשון נוצר משני תאים פרוקריוטים, בעלי נוקלאוטיד, ביחסים של סימביוזה מטבולית (Symbiogenesis). ייתכן שהתהליך התרחש בין תא השייך לבקטריה והשני לארכיאה. על פי הנחה זו, נוצר תא כימרי-היברידי וכך נוצר התא עם גרעין התא הראשון. השלב האבולוציוני הבא התבטא בהתמזגות החומר הגנטי לגרעין תא משותף.^[48]

אחד התהליכים האבולוציונים המשמעותיים ביותר הוא התהליך האבולוציוני של היווצרות יצורים רב-תאיים מיצורים חד-תאיים. מחקרים חדשניים^[49] שנעשו על בעל חי חד-תאי המשתייך לממלכת הפרוטיסטה בשם Capsaspora owczarzaki החי כסימביונט בחילזון Biomphalaria glabrata, הראו שהתכונה ליצירת מבנים רב-תאיים הדומים למבנים של ספוג או הידרה היא תוצאה של תגובות כימיות ליוני סידן וליפידים, אשר יכולים להשפיע על מידת ואופי הצבירה של התאים, ממצב של צברים בעלי אופי של יצור ראשוני רב-תאי למצב של תאים דמויי אמבות - תאים אמבואידליים הנפרדים זה מזה.

• אבולוציה של תאים, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)