Le livre "Énergie, sexe, suicide: les mitochondries et le sens de la vie"

Bonjour à tous! Nous avons un merveilleux livre de Nick Lane de la série New Science :

imagePendant des siècles, les gens ont tourné leurs yeux vers les étoiles et se sont demandé pourquoi nous sommes ici et si nous sommes seuls dans l'Univers. Nous avons tendance à penser à pourquoi les plantes et les animaux existent, d'où nous venons, qui étaient nos ancêtres et ce qui nous attend. Bien que la réponse à la question principale de la vie, l'Univers et en général ne soit pas 42, comme l'a dit Douglas Adams, mais elle n'est pas moins brève et mystérieuse - les mitochondries.

Ils nous montrent comment la vie est venue sur notre planète. Ils expliquent pourquoi les bactéries y ont régné si longtemps et pourquoi l'évolution n'a probablement pas dépassé le niveau de mucus bactérien n'importe où dans l'univers. Ils permettent de comprendre comment les premières cellules complexes sont apparues et comment la vie terrestre a gravi les échelles de la complexité ascendante jusqu'aux sommets de la gloire. Ils nous montrent pourquoi des créatures à sang chaud sont apparues, secouant les chaînes de l'environnement; pourquoi les hommes et les femmes existent, pourquoi nous tombons amoureux et avons des enfants. Ils nous disent pourquoi nos jours dans ce monde sont comptés, pourquoi nous vieillissons et mourons. Ils peuvent nous dire la meilleure façon de passer les années de coucher du soleil, en évitant la vieillesse comme un fardeau et une malédiction. Peut-être que les mitochondries n'expliquent pas le sens de la vie, mais montrent au moins ce que c'est. Est-il possible de comprendre le sens de la vie,ne pas savoir comment cela fonctionne?


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Les mitochondries sont l'une des nombreuses «stations d'énergie» de cellules qui contrôlent nos vies de la manière la plus inattendue.

Les mitochondries sont un secret de polichinelle. D'une manière ou d'une autre, beaucoup en ont entendu parler. Dans les articles de journaux et certains manuels, ils sont appelés «stations d'énergie de la vie». Ces générateurs miniatures, cachés dans les cellules, produisent presque toute l'énergie dont nous avons besoin. Des centaines ou des milliers de mitochondries qui brûlent les matières organiques avec de l'oxygène peuvent se trouver dans une seule cellule. Ils sont si petits qu'un milliard rentrerait dans un grain de sable. Avec l'avènement des mitochondries, la vie a reçu un moteur puissant, fonctionnant déjà à grande vitesse et prêt à l'emploi. Tous les animaux, y compris les plus inactifs, ont au moins quelques mitochondries. Même les plantes immobiles et les algues les utilisent comme source d'énergie supplémentaire, un complément à l'énergie photosynthétique qu'elles reçoivent de leurs «panneaux solaires».

Certains ont probablement entendu l'expression «Eve mitochondriale». On suppose qu'elle était la mère de l'humanité, le dernier ancêtre commun de tous les êtres vivants. La veille mitochondriale aurait vécu en Afrique (il y a peut-être 170 000 ans), et elle est aussi appelée la veille africaine. Nous pouvons retracer notre lignée génétique jusqu'à la veille mitochondriale, peut-être parce que les mitochondries ont leur propre petit génome, qui n'est généralement transmis à la génération suivante que par l'ovule et non par le sperme. Cela signifie que les gènes mitochondriaux jouent le rôle d'un nom de famille transmis le long de la lignée féminine, qui peut ainsi être tracé; par exemple, certaines familles construisent leur clan sur la lignée masculine de Guillaume le Conquérant, Noé ou le prophète Mahomet. Récemment, certaines dispositions de cette théorie ont été contestées,mais dans l'ensemble, elle a résisté. Bien sûr, cette méthode permet non seulement de déterminer nos ancêtres, mais aussi de comprendre qui n'était pas notre ancêtre. Par exemple, une analyse des gènes mitochondriaux suggère que les Néandertaliens ne se sont pas croisés avec l'Homo sapiens, mais ont été évincés vers la périphérie de l'Europe, où ils se sont éteints.

Les mitochondries sont également «célèbres» pour leur rôle en médecine légale. Ils étaient souvent utilisés pour identifier des personnes, vivantes ou mortes, et certaines de ces histoires avaient une large résonance. Comme dans le cas de la définition de nos ancêtres, la méthode d'identification est basée sur le fait que les mitochondries ont leurs propres gènes. L'authenticité des restes de Nicolas II, le dernier empereur russe, a été confirmée en comparant ses gènes mitochondriaux avec les gènes mitochondriaux de ses proches. Et à la fin de la Première Guerre mondiale à Berlin, une fille de dix-sept ans a été retirée de la rivière, qui prétendait être Anastasia, la fille perdue de Nicolas II. La jeune fille a été envoyée à l'hôpital pour les malades mentaux. Une analyse des gènes mitochondriaux après sa mort en 1984 a mis fin à son débat de soixante-dix ans, montrant qu'elle n'était pas la fille de Nicolas II.

Si nous regardons le passé récent, l'analyse mitochondriale a aidé à identifier les corps de personnes défigurées au-delà de la reconnaissance qui sont décédées à la suite de l'attaque terroriste du 11 septembre 2001 dans l'effondrement des tours du World Trade Center à New York. La même méthode a permis de distinguer le «vrai» Saddam Hussein de ses nombreux homologues. L'une des raisons pour lesquelles les gènes mitochondriaux sont si utiles est leur grand nombre de copies. Le génome de chaque mitochondrie est représenté par 5 à 10 copies, et il y a généralement des centaines de mitochondries dans une cellule, de sorte que le nombre total de leurs génomes est estimé à des milliers. À titre de comparaison, le génome de la cellule elle-même n'est représenté que par deux copies (qui sont situées au "point de contrôle" de la cellule - le noyau). Par conséquent, à partir de presque n'importe quel échantillon, vous pouvez obtenir un nombre, même minime, de gènes mitochondriaux. Et le faitle fait qu'elles soient communes à l'enfant, à sa mère et à tous les parents du côté maternel, permet de confirmer ou de nier la parenté présumée.

Allons plus loin. Il y a la soi-disant théorie mitochondriale du vieillissement. Elle soutient que les radicaux libres - des molécules chimiquement actives qui «s'échappent» des mitochondries au cours de la respiration cellulaire ordinaire, provoquent le vieillissement et de nombreuses maladies qui lui sont associées. Le problème est que dans les mitochondries, les «étincelles» ne sont pas complètement exclues. Lorsqu'elles «brûlent» des aliments sous l'influence de l'oxygène, les «étincelles» de radicaux libres qui en résultent peuvent endommager les structures voisines, y compris les gènes mitochondriaux eux-mêmes, ainsi que des gènes plus éloignés dans le noyau cellulaire. Les radicaux libres attaquent les gènes de nos cellules de 10 000 à 100 000 fois par jour - en d'autres termes, vous devez vous attendre à une astuce de leur part chaque seconde. La plupart des dégâts causés sont immédiatement réparés, mais certaines attaques provoquent des mutations irréversibles,c'est-à-dire des changements persistants dans la séquence nucléotidique d'un gène. Avec l'âge, elles s'accumulent dans le corps et les cellules les plus gravement blessées meurent. L'usure constante sous-tend le vieillissement et les maladies connexes. Les mutations résultant de l'attaque des radicaux libres sur les gènes mitochondriaux sont également associées à de nombreuses maladies héréditaires graves. Ces maladies sont souvent héritées d'une manière étrange et imprévisible, et leur gravité varie de génération en génération, mais la règle générale est qu'elles progressent toutes inexorablement avec l'âge. En règle générale, les maladies mitochondriales affectent les tissus métaboliquement actifs, tels que les muscles et le cerveau, et peuvent entraîner des convulsions, des troubles moteurs, la cécité, la surdité et la dystrophie musculaire.Avec l'âge, elles s'accumulent dans le corps et les cellules les plus gravement blessées meurent. L'usure constante sous-tend le vieillissement et les maladies connexes. Les mutations résultant de l'attaque des radicaux libres sur les gènes mitochondriaux sont également associées à de nombreuses maladies héréditaires graves. Ces maladies sont souvent héritées d'une manière étrange et imprévisible, et leur gravité varie de génération en génération, mais la règle générale est qu'elles progressent toutes inexorablement avec l'âge. En règle générale, les maladies mitochondriales affectent les tissus métaboliquement actifs, tels que les muscles et le cerveau, et peuvent entraîner des convulsions, des troubles moteurs, la cécité, la surdité et la dystrophie musculaire.Avec l'âge, elles s'accumulent dans le corps et les cellules les plus gravement blessées meurent. L'usure constante sous-tend le vieillissement et les maladies connexes. Les mutations résultant de l'attaque des radicaux libres sur les gènes mitochondriaux sont également associées à de nombreuses maladies héréditaires graves. Ces maladies sont souvent héritées d'une manière étrange et imprévisible, et leur gravité varie de génération en génération, mais la règle générale est qu'elles progressent toutes inexorablement avec l'âge. En règle générale, les maladies mitochondriales affectent les tissus métaboliquement actifs, tels que les muscles et le cerveau, et peuvent entraîner des convulsions, des troubles moteurs, la cécité, la surdité et la dystrophie musculaire.résultant d'une attaque de radicaux libres sur les gènes mitochondriaux, de nombreuses maladies héréditaires sévères sont également associées. Ces maladies sont souvent héritées d'une manière étrange et imprévisible, et leur gravité varie de génération en génération, mais la règle générale est qu'elles progressent toutes inexorablement avec l'âge. En règle générale, les maladies mitochondriales affectent les tissus métaboliquement actifs, tels que les muscles et le cerveau, et peuvent entraîner des convulsions, des troubles moteurs, la cécité, la surdité et la dystrophie musculaire.résultant d'une attaque de radicaux libres sur les gènes mitochondriaux, de nombreuses maladies héréditaires sévères sont également associées. 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En règle générale, les maladies mitochondriales affectent les tissus métaboliquement actifs, tels que les muscles et le cerveau, et peuvent entraîner des convulsions, des troubles moteurs, la cécité, la surdité et la dystrophie musculaire.

Certains ont entendu parler des mitochondries en relation avec l'une des méthodes de traitement de l'infertilité, sur laquelle un débat acharné a été mené. Son essence est qu'un fragment d'ooplasme contenant les mitochondries de l'ovule d'une donneuse en bonne santé est transféré à l'ovule d'une femme stérile (ce que l'on appelle le transfert ou transplantation d'ovoplasme). Lorsque des informations sur cette méthode ont été divulguées pour la première fois aux médias, un journal britannique a publié un article sous le titre accrocheur: «Les bébés de deux mères et d'un père». Cela ne veut pas dire qu'il n'y a pas de vérité dans cette blague journalistique. Bien que l'enfant reçoive tous les gènes «ordinaires» de la «vraie» mère, il reçoit une certaine quantité de gènes mitochondriaux d'une donneuse d'ovoplasme. Donc, à proprement parler, les bébés ont vraiment obtenu des gènes de deux femmes différentes.Malgré le fait que grâce à cette méthode, plus de 30 bébés en parfaite santé sont nés, elle a ensuite été interdite au Royaume-Uni et aux États-Unis pour des raisons éthiques et pratiques.

Les mitochondries ont même atteint la série Star Wars (à l'indignation totale de certains fans) comme une justification assez vague de la célèbre Force, qui "peut-être avec vous". Dans les premiers épisodes, on supposait que cette force était, sinon religieuse, alors au moins spirituelle, mais dans le quatrième épisode, elle était associée aux «midichloriens». Les midichloriens, comme un Jedi l'a expliqué, sont des «formes de vie microscopiques qui vivent dans toutes les cellules vivantes». Nous vivons avec eux dans une symbiose mutuellement bénéfique. Il n'y aurait pas de vie sans midi-chloriens, et nous ne saurions jamais ce qu'est la Force. » Tant dans l'explication que dans le nom lui-même, il y a une allusion transparente et intentionnelle aux mitochondries. Les mitochondries, qui sont d'origine bactérienne, vivent également à l'intérieur de nos cellules en tant que symbiontes (organismes qui sont en relations mutuellement bénéfiques avec d'autres organismes).Comme les midichloriens, les mitochondries possèdent un certain nombre de propriétés mystérieuses, on pourrait dire mystiques, et peuvent même échanger des informations, s'unissant en réseaux de ramification. L'idée de l'origine bactérienne des mitochondries, proposée par Lynn Margulis dans les années 1970. et était alors perçu comme une déclaration très controversée, maintenant la plupart des biologistes le voient comme un fait établi.

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Des études dans tous ces domaines ont redonné aux mitochondries l'attention dont elles ont été privées depuis leur apogée dans les années 1950, lorsque les scientifiques ont découvert pour la première fois que les mitochondries sont les stations d'énergie de la cellule et produisent presque toute l'énergie dont nous avons besoin. La principale revue scientifique Science l'a reconnu en 1999 lorsqu'elle a consacré la part du lion du prochain numéro aux mitochondries. Sa couverture disait: "Les mitochondries reviennent." Les mitochondries ont été oubliées pour deux raisons. L'un d'eux était que la bioénergie - l'étude de la production d'énergie dans les mitochondries - était considérée comme un domaine difficile et déroutant. Cette approche est bien illustrée par la phrase encourageante, qui à un moment donné était souvent chuchotée dans les salles de classe lors des conférences et des rapports: "Ne vous inquiétez pas, personne ne comprend ces maniaques mitochondriaux."La deuxième raison est associée à l'essor de la génétique moléculaire dans la seconde moitié du 20e siècle. Comme le fait remarquer Immo Schaeffler, l'un des «maniaques mitochondriaux» les plus importants, «les biologistes moléculaires n'ont peut-être pas prêté attention aux mitochondries parce qu'ils ne comprenaient pas immédiatement les conclusions et les possibilités prometteuses découlant de la découverte des gènes mitochondriaux. Il a fallu du temps pour qu'une base de données suffisamment étendue et diversifiée s'accumule, ce qui nous a permis de commencer à résoudre les problèmes les plus difficiles de l'anthropologie, de la biogenèse, de la médecine, de l'évolution et de nombreux autres domaines. »Il a fallu du temps pour qu'une base de données suffisamment vaste et diversifiée s'accumule, nous permettant de commencer à résoudre les problèmes les plus difficiles de l'anthropologie, de la biogenèse, de la médecine, de l'évolution et de nombreux autres domaines. »Il a fallu du temps pour qu'une base de données suffisamment étendue et diversifiée s'accumule, ce qui nous a permis de commencer à résoudre les problèmes les plus difficiles de l'anthropologie, de la biogenèse, de la médecine, de l'évolution et de nombreux autres domaines. »

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Il existe de nombreuses questions similaires. Des érudits perspicaces en parlent de temps à autre dans des articles scientifiques, mais ces arguments atteignent rarement le grand public. À première vue, ces questions peuvent sembler ridiculement absurdes et sans intérêt. Cependant, les réponses à celles-ci, prises ensemble, créent une image complète de la trajectoire évolutive, qui commence par l'origine de la vie, passe par les étapes de l'émergence de cellules complexes et d'organismes multicellulaires et conduit à une augmentation de la taille corporelle, du sexe, de l'apparition de sang chaud, du vieillissement et de la mort. Cette image est un regard absolument nouveau sur pourquoi nous existons même sur Terre, pourquoi nous sommes seuls dans l'Univers, pourquoi nous avons un sens de l'individualité, pourquoi nous faisons l'amour, qui étaient nos ancêtres, pourquoi nous sommes destinés à vieillir et à mourir. Bref, cela vous permet de comprendre le sens de la vie.Comme l'écrit l'historien éloquent Felipe Fernandez-Armesto, «les histoires s'expliquent; si nous savons comment les événements se sont développés, nous commençons à comprendre pourquoi ils se sont produits. » Et lors de la reconstruction de l'histoire de la vie sur Terre, les questions «comment?» et "pourquoi?" également étroitement liés.

Je voulais écrire un livre pour un large public, ne connaissant pas la science en général et la biologie en particulier. Néanmoins, je devais supposer que le lecteur connaissait les bases de la biologie cellulaire et avait parfois recours à une terminologie spéciale. Cependant, certaines parties du livre peuvent sembler difficiles à comprendre, même pour ceux qui connaissent parfaitement la terminologie. Mais vous devriez toujours les lire. Le charme de la science et le plaisir particulier que vous ressentez lorsque vous commencez à comprendre quelque chose sont compris dans la lutte contre des questions qui n'ont pas de réponses claires. Il n'est guère possible de donner des réponses exactes à de nombreuses questions affectant des événements d'un passé lointain (il y a des milliards d'années). Néanmoins, nous pouvons utiliser les connaissances que nous avons, ou penser que nous avons, afin de réduire la liste des réponses possibles. Les clés des indices sont dispersées partoutet parfois vous les trouvez dans les endroits les plus insolites. Pour les trouver, vous avez besoin de quelques connaissances en biologie moléculaire moderne, d'où la complexité inévitable de certaines sections. Ayant ces clés à notre disposition, nous pouvons, après Sherlock Holmes, exclure certaines options de réponse et nous concentrer sur d'autres. Selon les mots du grand détective: «Lâchez tout l'impossible, ce qui restera sera la réponse, aussi incroyable que cela puisse paraître.» 1 Bien qu'agiter le mot «impossible» devant le nez de l'évolution soit assez dangereux, vous ressentez le plaisir incomparable d'un détective qui a pris la bonne voie en essayant de restaurer les voies d'évolution les plus probables. J'espère que mon enthousiasme vous sera partiellement transmis.d'où la complexité inévitable de certaines sections. Ayant ces clés à notre disposition, nous pouvons, après Sherlock Holmes, exclure certaines options de réponse et nous concentrer sur d'autres. Selon les mots du grand détective: «Lâchez tout l'impossible, ce qui restera sera la réponse, aussi incroyable que cela puisse paraître.» 1 Bien qu'agiter le mot «impossible» devant le nez de l'évolution soit assez dangereux, vous ressentez le plaisir incomparable d'un détective qui a pris la bonne voie en essayant de restaurer les voies d'évolution les plus probables. J'espère que mon enthousiasme vous sera partiellement transmis.d'où la complexité inévitable de certaines sections. Ayant ces clés à notre disposition, nous pouvons, après Sherlock Holmes, exclure certaines options de réponse et nous concentrer sur d'autres. Selon les mots du grand détective: «Lâchez tout l'impossible, ce qui restera sera la réponse, aussi incroyable que cela puisse paraître.» 1 Bien qu'agiter le mot «impossible» devant le nez de l'évolution soit assez dangereux, vous ressentez le plaisir incomparable d'un détective qui a pris la bonne voie en essayant de restaurer les voies d'évolution les plus probables. J'espère que mon enthousiasme vous sera partiellement transmis.aussi incroyable qu'il puisse paraître. »1 Bien qu'agiter le mot «impossible» devant le nez de l'évolution soit assez dangereux, vous ressentez le plaisir incomparable d'un détective qui a pris la bonne voie en essayant de restaurer les voies d'évolution les plus probables. J'espère que mon enthousiasme vous sera partiellement transmis.aussi incroyable qu'il puisse paraître. »1 Bien qu'agiter le mot «impossible» devant le nez de l'évolution soit assez dangereux, vous ressentez le plaisir incomparable d'un détective qui a pris la bonne voie en essayant de restaurer les voies d'évolution les plus probables. J'espère que mon enthousiasme vous sera partiellement transmis.

J'ai mis une brève définition de certains termes spéciaux dans le glossaire. Néanmoins, avant de poursuivre, il peut être utile de parler un peu des bases de la biologie cellulaire pour les lecteurs qui ne sont pas du tout familiarisés avec la biologie. Une cellule vivante est un univers miniature, la forme de vie la plus simple, capable d'existence indépendante. C'est donc elle qui est l'unité de base de la biologie. Une cellule peut être un organisme indépendant (rappelez-vous l'amibe ou, d'ailleurs, les bactéries). Ces organismes sont appelés unicellulaires. Un organisme multicellulaire est composé de nombreuses cellules (dans le cas de nous, il y en a des millions). La science qui étudie les cellules est appelée cytologie, du mot grec cyto - une cellule (la signification originale est un vaisseau, un réceptacle). La racine «cyto» fait partie de nombreux termes. Par exemple, les cytochromes sont des protéines «colorées» dans une cellule,cytoplasme - l'environnement interne de la cellule (tout sauf le noyau), érythrocyte - le globule rouge.

Toutes les cellules ne sont pas égales et certaines sont beaucoup plus égales que d'autres. Les cellules bactériennes sont plus facilement disposées. Même en les regardant au microscope électronique, il est difficile de comprendre de quoi il s'agit. Les bactéries dépassent rarement quelques micromètres de diamètre et prennent généralement la forme d'une boule ou d'un bâton. Ils sont séparés de l'environnement par une paroi cellulaire solide, mais perméable, à laquelle adhère de l'intérieur la membrane cellulaire la plus fine mais relativement imperméable de plusieurs nanomètres d'épaisseur. Les bactéries produisent de l'énergie à l'aide de cette membrane extrêmement mince, c'est pourquoi une partie importante de notre livre lui est consacrée.

Une cellule bactérienne, comme toute autre, est remplie de cytoplasme. Il a une consistance de gel et contient (sous forme de solution ou de suspension) une grande variété de molécules biologiques. Certains d'entre eux sont à peine visibles au microscope au grossissement maximal (des millions de fois). Avec une telle augmentation, le cytoplasme semble rugueux, comme un champ parsemé de taupinières à vol d'oiseau. Tout d'abord, parmi ces molécules, il est nécessaire de nommer de longues molécules d'ADN alambiquées (porteuses d'informations génétiques), semblables aux mouvements d'une taupe folle. La structure moléculaire de l'ADN - la fameuse double hélice - a été découverte par Watson et Crick il y a plus d'un demi-siècle. D'autres «rugosités» sont de grosses protéines. Ils sont à peine perceptibles même avec une telle augmentation et sont néanmoins constitués de millions d'atomes organisés avec une précision irréprochable,que la structure moléculaire des protéines peut être déchiffrée par analyse aux rayons X. C’est tout. Nous ne verrons rien de plus, bien que l'analyse biochimique montre que les bactéries, les plus simples des cellules, sont en fait extrêmement complexes, et nous commençons à peine à comprendre comment elles fonctionnent.

Nous sommes constitués de cellules complètement différentes. Sur la "cour de ferme" cellulaire, ils sont "égaux" à beaucoup d'autres. Pour commencer, ils sont beaucoup plus grands. Leur volume est parfois des centaines de milliers de fois supérieur au volume des cellules bactériennes. À l'intérieur, vous pouvez voir beaucoup de choses. Il y a d'énormes piles de membranes pliées avec une surface rugueuse, diverses vésicules, dont le contenu est séparé du reste du cytoplasme, comme dans des sacs de congélation, ainsi qu'un réseau ramifié dense de fibres qui fournissent un soutien structurel et l'élasticité de la cellule - le cytosquelette. Et il y a des organites - des organes cellulaires qui remplissent des fonctions spécialisées, tout comme, par exemple, nos reins remplissent la fonction d'excrétion. Mais le plus important, dans nos cellules, il y a un noyau - une planète couvante qui règne dans le microcosme cellulaire. Sa surface, comme la face de la lune,moucheté de «cratères» (en fait les plus petits pores). Les cellules ayant un tel noyau sont appelées eucaryotes. Ce sont les cellules les plus importantes de la Terre. Sans eux, le monde serait inconcevablement différent, car toutes les plantes et tous les animaux, toutes les algues et tous les champignons, presque tous les êtres vivants que l'on peut voir à l'œil nu, sont constitués de cellules eucaryotes, et chacune d'elles a son propre noyau.

Le noyau contient de l'acide désoxyribonucléique (ADN). Chez les eucaryotes et les bactéries, cette macromolécule est identique dans sa structure moléculaire, mais diffère dans son organisation au niveau macro. L'ADN bactérien est une longue boucle fermée compliquée. La taupe folle arrive tôt ou tard au point de départ et un chromosome en anneau est obtenu. Dans les cellules eucaryotes, il y a généralement plusieurs chromosomes, et ils ne sont pas circulaires, mais linéaires. Je ne veux pas dire qu'ils sont allongés en ligne droite, juste chaque chromosome a deux extrémités. Pendant le fonctionnement normal de la cellule, cela n'est pas visible, mais pendant la division cellulaire, les chromosomes changent de structure: ils se condensent, acquérant une forme tubulaire bien reconnue. La plupart des cellules eucaryotes sont dans un état diploïde,c'est-à-dire qu'ils ont deux copies de chaque chromosome (le nombre de chromosomes chez l'homme est de 23 × 2 = 46), et les mêmes chromosomes forment des paires pendant la division, restant connectés approximativement au centre. Cela donne aux chromosomes une forme caractéristique "d'étoile", qui peut être distinguée au microscope. Les chromosomes eucaryotes ne sont pas seulement de l'ADN. Ils sont également recouverts de protéines spéciales, dont les plus importantes sont appelées histones. C'est une différence significative entre les bactéries et les eucaryotes - pas une seule bactérie ne recouvre son ADN d'histones, elle est toujours nue. Les histones protègent non seulement l'ADN eucaryote des attaques chimiques, mais restreignent également l'accès aux gènes.Les chromosomes eucaryotes ne sont pas seulement de l'ADN. Ils sont également recouverts de protéines spéciales, dont les plus importantes sont appelées histones. C'est une différence significative entre les bactéries et les eucaryotes - pas une seule bactérie ne recouvre son ADN d'histones, elle est toujours nue. Les histones protègent non seulement l'ADN eucaryote des attaques chimiques, mais restreignent également l'accès aux gènes.Les chromosomes eucaryotes ne sont pas seulement de l'ADN. Ils sont également recouverts de protéines spéciales, dont les plus importantes sont appelées histones. C'est une différence significative entre les bactéries et les eucaryotes - pas une seule bactérie ne recouvre son ADN d'histones, elle est toujours nue. Les histones protègent non seulement l'ADN eucaryote des attaques chimiques, mais restreignent également l'accès aux gènes.

Lorsque Francis Crick a découvert la structure de l'ADN, il s'est immédiatement rendu compte du fonctionnement du mécanisme de l'hérédité génétique et, dans la soirée, il a annoncé dans le pub qu'il avait résolu l'énigme de la vie. L'ADN est la matrice pour assembler à la fois lui-même et les protéines. Chacune des deux chaînes à double hélice polynucléotidique sert de matrice pour l'autre. Quand ils divergent, et cela se produit pendant la division cellulaire, chaque circuit fournit les informations nécessaires pour assembler une double hélice complète. Le résultat est deux copies identiques. Les informations codées dans l'ADN dictent la structure moléculaire des protéines «sort». Ceci, a déclaré Crick, est le «dogme central» de toute la biologie - les gènes codent pour les protéines. Une longue bande télégraphique d'ADN est une séquence de seulement quatre "lettres" moléculaires (nucléotides);donc tous nos mots et tous nos livres sont constitués de combinaisons de seulement 33 lettres. Une bibliothèque complète de gènes corporels s'appelle un génome, dont la taille peut atteindre un milliard de "lettres". Un gène - essentiellement le code pour «fabriquer» une protéine - se compose généralement de milliers de nucléotides. Une protéine est une chaîne de sous-unités appelées acides aminés. L'ordre des acides aminés détermine les propriétés fonctionnelles de la protéine, et la séquence de lettres dans le gène détermine la séquence des acides aminés dans la protéine. Une mutation génétique (modification de la séquence des «lettres») peut entraîner un changement dans la structure de la protéine (ou non, car le code génétique a un certain degré de redondance ou, dans un langage spécial, la dégénérescence, et le même acide aminé peut être codé par plusieurs combinaisons différentes lettres).Une bibliothèque complète de gènes corporels s'appelle un génome, dont la taille peut atteindre un milliard de "lettres". Un gène - essentiellement le code pour «fabriquer» une protéine - se compose généralement de milliers de nucléotides. Une protéine est une chaîne de sous-unités appelées acides aminés. L'ordre des acides aminés détermine les propriétés fonctionnelles de la protéine, et la séquence de lettres dans le gène détermine la séquence des acides aminés dans la protéine. 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Une mutation génétique (modification de la séquence des «lettres») peut entraîner un changement dans la structure de la protéine (ou non, car le code génétique a un certain degré de redondance ou, dans un langage spécial, la dégénérescence, et le même acide aminé peut être codé par plusieurs combinaisons différentes lettres).Une mutation génique (modification de la séquence des «lettres») peut entraîner une modification de la structure de la protéine (ou non, car le code génétique a un certain degré de redondance, ou, dans un langage spécial, la dégénérescence, et le même acide aminé peut être codé par plusieurs combinaisons différentes lettres).Une mutation génétique (modification de la séquence des «lettres») peut entraîner un changement dans la structure de la protéine (ou non, car le code génétique a un certain degré de redondance ou, dans un langage spécial, la dégénérescence, et le même acide aminé peut être codé par plusieurs combinaisons différentes lettres).

Les écureuils sont un sujet de fierté spéciale et de gloire de la vie sur Terre. La variété de leurs formes et fonctions est presque infinie. Et presque toute la diversité de la vie doit son existence à une variété de protéines. Grâce aux protéines, toutes les réalisations physiques de la vie sont possibles - du métabolisme au mouvement, de la fuite à la vision, de l'immunité aux systèmes de signalisation. Selon leurs fonctions, les protéines sont divisées en plusieurs grands groupes. L'une des plus importantes est les enzymes. Ce sont des catalyseurs biologiques et peuvent augmenter le taux de réactions biochimiques de plusieurs ordres de grandeur avec une énorme spécificité de substrat. Certaines enzymes peuvent même distinguer les isotopes (différentes formes du même atome). Les autres groupes importants de protéines sont les hormones et leurs récepteurs, les protéines responsables du système immunitaire, telles que les anticorps, les protéines, les protéines de liaison à l’ADN,comme les histones et les protéines structurales qui forment le cytosquelette.

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Armés de ces connaissances de base en biologie cellulaire, revenons aux mitochondries. Ces organites cellulaires ("organes" de la cellule) se spécialisent dans la production d'énergie. J'ai déjà mentionné que les mitochondries provenaient de bactéries et leur ressemblaient toujours un peu (Fig. 1). Habituellement, ils sont représentés sous la forme de saucisses ou de vers, mais ils peuvent prendre des formes encore plus bizarres, s'enroulant presque en queue de mort. Les mitochondries ont généralement la taille d'une bactérie: quelques millièmes de millimètre (1 à 4 micromètres) de long et environ un demi-micromètre de diamètre. Les cellules de notre corps contiennent généralement de nombreuses mitochondries, et le nombre exact dépend des besoins métaboliques d'une cellule particulière. Les cellules métaboliquement actives (dans le foie, les reins, les muscles et le cerveau) contiennent des centaines voire des milliers de mitochondries, occupant jusqu'à 40% du cytoplasme.La paume appartient à l'œuf (ovocyte). Il contient et transfère à la prochaine génération environ cent mille mitochondries. Mais les spermatozoïdes contiennent généralement moins de 100 mitochondries. Les cellules sanguines et les cellules de la peau contiennent peu ou pas de mitochondries. Selon des estimations approximatives, un adulte contient 1 million de milliards de mitochondries, qui représentent ensemble environ 10% de son poids corporel.

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Fig. 1. La structure des mitochondries. Les membranes internes et externes sont visibles; la membrane interne est pliée et ces nombreux plis sont appelés cristae. C'est en eux que se déroule le processus de respiration cellulaire: les

mitochondries sont délimitées du cytoplasme par deux membranes. La membrane externe est lisse et continue, tandis que la membrane interne forme des plis ou des tubes bizarres (cristae). Les mitochondries ne restent pas au même endroit. Ils peuvent se déplacer à l'intérieur de la cellule là où ils en ont besoin, et parfois assez activement. Comme les bactéries, elles se divisent en deux, et cela se produit, pour autant que l'on puisse en juger, indépendamment des autres mitochondries. Et ils peuvent fusionner les uns avec les autres, formant de vastes réseaux.

Pour la première fois, des mitochondries - des structures similaires à des granules, des bâtonnets ou des fibres - ont été observées même au microscope optique. Leur origine est immédiatement devenue sujet à controverse. L'un des premiers à reconnaître l'importance des mitochondries a été le scientifique allemand Richard Altman. Il a suggéré que ces minuscules granules sont les particules fondamentales de la vie. En 1886, il les a appelés bioblastes. Il lui semblait que les bioblastes étaient les seuls composants vivants de la cellule, et la cellule elle-même était leur habitation fortifiée, semblable aux forteresses du peuple de l'âge du fer. Tout le reste de la cellule, y compris la membrane plasmique et le noyau, a été construit par les bioblastes pour leurs propres besoins, et le cytosol (la partie aqueuse du cytoplasme) sert de réservoir de nutriments.

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Ainsi, l'existence des mitochondries n'était plus remise en cause, mais leur fonction restait un mystère. Après Altman, peu les considéraient comme les éléments fondamentaux de la vie. En règle générale, un rôle beaucoup plus modeste leur a été attribué. Certains considéraient les mitochondries comme des centres de synthèse des protéines ou des graisses, tandis que d'autres considéraient les sites de stockage des gènes. En fait, les mitochondries ont produit une décoloration mystique des taches histologiques. Les encres ont disparu des mitochondries à la suite de l'oxydation, un processus similaire à l'oxydation des aliments lors de la respiration cellulaire. En 1912, Benjamin Freeman Kingsbury a suggéré que les mitochondries pourraient être les centres respiratoires d'une cellule. Sa justice n'a été confirmée qu'en 1949, lorsque Eugene Kennedy et Albert Leninger ont montré que les enzymes respiratoires sont bien localisées dans les mitochondries.

Bien que les idées d'Altman sur les bioblastes aient été rejetées, certains autres chercheurs ont également suggéré que les mitochondries sont des structures indépendantes, des symbiotes, vivant dans une cellule pour le bien commun. La symbiose est une relation dont les participants bénéficient en quelque sorte de la présence de l'autre, et les partenaires symbiotiques sont appelés symbiotes. Un exemple classique est le coureur égyptien, ou gardien de crocodile (Pluvianus aegyptius). Cet oiseau ramasse les restes de nourriture des dents des crocodiles du Nil, recevant un déjeuner gratuit en échange du nettoyage des dents. Des relations similaires peuvent exister au niveau cellulaire, par exemple, les bactéries peuvent vivre dans des cellules plus grandes en tant qu'endosymbiontes. Au début du XXe siècle. différents chercheurs ont attribué le rôle des endosymbiotes à presque toutes les structures cellulaires, telles que le noyau, les mitochondries,chloroplastes et centrioles (structures cellulaires qui organisent le cytosquelette). Ces théories étaient basées sur l'apparence et le comportement des structures correspondantes (par exemple, leur mouvement ou indépendantes du type de division) et ne pouvaient donc, en principe, aller au-delà du cadre spéculatif. De plus, les adeptes de ces idées se sont souvent battus pour une priorité scientifique ou se sont retrouvés de part et d'autre de barricades politiques et linguistiques, ce qui les a empêchés de parvenir à un accord. Comme l'écrivait l'historien des sciences Jan Sapp dans le remarquable livre "Evolution by Association": "Ainsi se déroule l'histoire de l'ironie de l'individualisme féroce de ceux qui ont postulé le rôle créateur des associations dans les changements évolutionnaires."leur mouvement ou indépendant en apparence division) et donc, en principe, ne pouvait pas aller au-delà du cadre spéculatif. De plus, les adeptes de ces idées se sont souvent battus pour une priorité scientifique ou se sont retrouvés de part et d'autre de barricades politiques et linguistiques, ce qui les a empêchés de parvenir à un accord. Comme l'écrivait l'historien des sciences Jan Sapp dans le remarquable livre "Evolution by Association": "Ainsi se déroule l'histoire de l'ironie de l'individualisme féroce de ceux qui ont postulé le rôle créateur des associations dans les changements évolutionnaires."leur mouvement ou indépendant en apparence division) et donc, en principe, ne pouvait pas aller au-delà du cadre spéculatif. De plus, les adeptes de ces idées se sont souvent battus pour une priorité scientifique ou se sont retrouvés de part et d'autre de barricades politiques et linguistiques, ce qui les a empêchés de parvenir à un accord. Comme l'écrivait l'historien des sciences Jan Sapp dans le remarquable livre "Evolution by Association": "Ainsi se déroule l'histoire de l'ironie de l'individualisme féroce de ceux qui ont postulé le rôle créateur des associations dans les changements évolutionnaires.""Ainsi se déroule l'histoire de l'ironie de l'individualisme violent de ceux qui ont postulé le rôle créatif des associations dans les changements évolutifs.""Ainsi se déroule l'histoire de l'ironie de l'individualisme violent de ceux qui ont postulé le rôle créatif des associations dans les changements évolutifs."

La situation est arrivée à un point critique après 1918, lorsque le scientifique français Paul Portier a publié le magnifique livre Les Symbiontes. Il a affirmé (et il est difficile de surestimer son courage) que «tous les êtres vivants, tous les animaux de l'amibe à l'homme, toutes les plantes de la spore aux dicotylédones, sont formés par l'association, l'emboîtement1, de deux créatures différentes. Chaque cellule vivante contient dans ses formations de protoplasme que les histologues appellent les mitochondries. Pour moi, ces organites ne sont rien de plus que des bactéries symbiotiques, que j'appelle des symbiotes. »

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«Un jour» est venu un demi-siècle plus tard, et cela s'est produit, comme il sied à l'histoire d'une union symbiotique étroite, dans «l'été de l'amour». En juin 1967, Lynn Margulis a soumis un article célèbre au Journal of Theoretical Biology, dans lequel elle a insufflé une nouvelle vie aux «fantasmes drôles» des générations passées de chercheurs, en les mettant sur des vêtements scientifiques à la mode. Elle disposait d'un matériel impressionnant. À cette époque, il avait déjà été prouvé qu'il y avait de l'ADN et de l'ARN dans les mitochondries, et une liste d'exemples d '«hérédité cytoplasmique» a également été compilée (c'est-à-dire des cas où les traits héréditaires étaient indépendants des gènes dans le noyau). Margulis était alors mariée à l'astronome Karl Sagan et, peut-être, par conséquent, a abordé les questions de l'évolution de la vie sur Terre avec une échelle vraiment cosmique,dessinant non seulement la biologie, mais aussi des données géologiques sur l'évolution de l'atmosphère, ainsi que des preuves fossiles de bactéries et d'eucaryotes primitifs. Elle s'est appuyée sur sa connaissance inégalée de la morphologie et de la chimie des micro-organismes et a utilisé les critères de taxonomie pour prouver la plausibilité de l'hypothèse de symbiose. Cependant, au début, Margulis n'a pas compris. Quinze revues différentes ont rejeté son article fondateur jusqu'à ce qu'il soit finalement accepté par James Danielle, l'éditeur visionnaire du Journal of Theoretical Biology. Après la publication de l'article, la rédaction a été inondée de demandes de tirages - 800 demandes sont arrivées en un an. Academic Press a refusé de publier le livre de Margulis, L’origine des cellules eucaryotes, bien qu’il lui ait été écrit; en 1970, le livre a été publié par Yale University Press.Par la suite, il est devenu l'un des textes biologiques les plus fiables du siècle. Margulis a réussi à construire une chaîne d'arguments logique si convaincante que les biologistes considèrent désormais ses vues autrefois peu orthodoxes comme un fait, en tout cas, en ce qui concerne les mitochondries et les chloroplastes.

Un débat acharné (ne débordant pas, cependant, au-delà de la communauté scientifique étroite) ne s'est pas apaisé pendant dix ans après la publication du livre. Ils étaient absolument nécessaires. Sans eux, nous ne pourrions pas être sûrs de la validité de la décision finale. Tout le monde était d'accord pour dire qu'il y avait vraiment des parallèles entre les mitochondries et les bactéries, mais tout le monde n'était pas d'accord sur leur signification. La nature bactérienne des gènes mitochondriaux était évidente: premièrement, ils sont sur le même chromosome en anneau (les eucaryotes ont des chromosomes linéaires), et deuxièmement, ils sont «nus», c'est-à-dire dépourvus d'un «enveloppe» d'histone. De plus, dans les bactéries et les mitochondries, la transcription et la traduction se produisent de manière similaire. Le processus d'assemblage des protéines en eux est également similaire et diffère à bien des égards de ce processus chez les eucaryotes. Les mitochondries ont même leurs propres ribosomes («usines» pour l'assemblage des protéines),et ils ont l'air très "bactériens". L'effet de nombreux antibiotiques sur les bactéries est basé sur le blocage de l'assemblage des protéines, et ils bloquent également la synthèse des protéines dans les mitochondries, mais n'affectent pas la synthèse des protéines codées par les gènes nucléaires d'une cellule eucaryote.

Il peut sembler que ces parallèles entre les mitochondries et les bactéries, pris ensemble, témoignent irréfutablement de leur parenté, mais en fait, un certain nombre d'explications alternatives peuvent être proposées, et c'est d'elles que les différends mentionnés ci-dessus ont surgi. En général, les signes «bactériens» des mitochondries peuvent s'expliquer si l'on suppose que le taux d'évolution des mitochondries est inférieur au taux d'évolution du noyau. Si c'est le cas, alors tout est simple: les mitochondries ont plus en commun avec les bactéries simplement parce qu'elles ont évolué plus lentement que le noyau et n'ont pas réussi à aller aussi loin. Ils devraient alors présenter des symptômes ataviques. Étant donné que les gènes mitochondriaux ne se recombinent pas pendant le processus sexuel, cette hypothèse semblait valide, bien que peu convaincante. Pour le réfuter, il fallait connaître le vrai rythme d'évolution,et pour cela, le séquençage des gènes mitochondriaux était nécessaire et comparé aux gènes nucléaires. Ce n'est qu'après qu'un groupe de scientifiques de Cambridge, dirigé par Frédéric Senger1, a séquencé le génome mitochondrial humain en 1981, il est devenu clair que les gènes mitochondriaux, au contraire, évoluent plus rapidement que les gènes nucléaires. Leurs propriétés ataviques ne peuvent s'expliquer que par une relation directe avec les bactéries; De plus, il a été démontré que cette relation était avec un groupe très spécifique - avec les protéobactéries alpha.Leurs propriétés ataviques ne peuvent s'expliquer que par une relation directe avec les bactéries; De plus, il a été démontré que cette relation était avec un groupe très spécifique - avec les protéobactéries alpha.Leurs propriétés ataviques ne peuvent s'expliquer que par une relation directe avec les bactéries; De plus, il a été démontré que cette relation était avec un groupe très spécifique - avec les protéobactéries alpha.

Heureusement pour nous, même la voyante Margulis n'avait pas toujours raison. Comme les premiers partisans de la théorie de la symbiose, elle a fait valoir qu'un jour nous pourrons cultiver des mitochondries en culture, nous avons juste besoin de trouver le bon environnement. Maintenant, nous savons que cela est impossible. Pourquoi les mitochondries ne se développent pas en culture, il est également devenu clair après le séquençage complet du génome mitochondrial: les gènes mitochondriaux ne codent que quelques protéines (pour être précis, 13), ainsi que l'ensemble de l'appareil génétique nécessaire à leur synthèse. La grande majorité des protéines mitochondriales (environ 800) sont codées par des gènes nucléaires, et leur nombre total est de 30 000 à 40 000. Ainsi, l'indépendance des mitochondries est imaginaire. Le fait qu'ils dépendent des deux génomes (mitochondrial et nucléaire) est déjà évident du fait que certaines de leurs protéines sont composées de plusieurs sous-unités,dont certains sont codés par des gènes mitochondriaux, et certains sont nucléaires. C'est pourquoi les mitochondries ne peuvent être cultivées qu'à l'intérieur des cellules. Pour la même raison, ils sont appelés à juste titre «organites», et non symbiotes. Néanmoins, le mot "organelle" ne donne aucune idée ni de leur passé saisissant, ni de l'énorme impact qu'ils ont eu sur l'évolution de la vie.

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Le microcosme est une hypothèse magnifique et inspirante, mais elle présente plusieurs difficultés. La collaboration n'exclut pas du tout la concurrence. La coopération entre différentes bactéries ne fait qu'élever la barre de la concurrence, seulement maintenant des organismes plus complexes sont en compétition, et non leurs sous-unités coopérantes. De plus, il s'avère que bon nombre de ces sous-unités, y compris les mitochondries, n'ont pas abandonné leurs propres intérêts égoïstes. Mais la plus grande complexité théorique est les mitochondries elles-mêmes. Ils, pour ainsi dire, menacent du doigt, nous mettant en garde contre des conclusions de grande portée sur le pouvoir de la coopération microscopique. Apparemment, toutes les cellules eucaryotes ont soit des mitochondries, soit une fois, puis les ont perdues. En d'autres termes, les mitochondries sont la condition sine qua non de l'existence des organismes eucaryotes.

Pourquoi diable? Si l'interaction entre les bactéries est une chose courante, alors une variété de cellules "eucaryotes" devrait apparaître, chacune avec son propre ensemble de micro-organismes coopérants. Bien sûr, il existe de nombreux exemples de symbiose entre bactéries et eucaryotes. Ils sont particulièrement communs dans les communautés microscopiques «inhabituelles», par exemple, parmi les habitants des sédiments marins de fond. Il en frappe un autre. Tous les eucaryotes, y compris les plus exotiques, ont une origine commune, et ils ont tous (ou ont eu) des mitochondries. En d'autres termes, tous les autres cas de symbiose au niveau cellulaire sont liés à l'existence de mitochondries. S'il n'y avait pas eu de fusion initiale avec les mitochondries, il n'y en aurait pas eu d'autres. Nous pouvons presque certainement le dire, car les bactéries collaborent et se font concurrence depuis près de quatre milliards d'années,et ils ont généré la cellule eucaryote une seule fois. L'acquisition de mitochondries a marqué un tournant dans l'histoire de la vie.

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C'est dans des habitats si extrêmes que l'on s'attendrait à des cas uniques de symbiose, mais ils n'y sont pas. Au lieu de cela, nous voyons tout de la même manière que dans d'autres endroits. Prenons, par exemple, la plus petite cellule eucaryote - Ostreococcus tauri. Son diamètre est inférieur à un millième de millimètre (1 micromètre), ce qui est inférieur à celui de la plupart des bactéries, et pourtant c'est un organisme eucaryote de pleine valeur. Elle a un noyau avec 14 chromosomes linéaires, un chloroplaste et, plus surprenant, plusieurs petites mitochondries. Et elle n'est pas la seule. Une vingtaine ou trente nouveaux sous-groupes eucaryotes ont été identifiés dans les habitats extrêmes de cette «corne d'abondance» inopinément ouverte. Apparemment, malgré leur petite taille, leur mode de vie inhabituel et leurs conditions environnementales difficiles, ils ont tous, ou ont déjà eu, des mitochondries.

Qu'est-ce que cela signifie? Cela signifie que les mitochondries ne sont pas seulement l'un des partenaires possibles de la symbiose. Ils sont les gardiens des clés de l'évolution de la complexité. Ce livre raconte ce que les mitochondries ont fait pour nous. Je ne m'attarderai pas sur des «détails mineurs», tels que la synthèse des porphyrines ou même le cycle de Krebs, vous pouvez les lire dans les manuels. Des processus similaires pourraient se produire n'importe où dans la cellule, et le fait qu'ils se soient installés dans les mitochondries n'est qu'une simple coïncidence. Nous verrons mieux pourquoi les mitochondries sont si importantes pour la vie, y compris la nôtre. Dans ce livre, nous verrons pourquoi les mitochondries sont les dirigeants secrets du monde, les seigneurs du pouvoir, du sexe et du suicide.

Le livre peut être trouvé plus en détail sur le site Web de l'éditeur.
Sommaire
Extrait

Rédacteur scientifique
Julia Kraus, chercheuse principale, Département de l'évolution biologique, Faculté de biologie, Université d'État de Moscou, Ph.D.

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Source: https://habr.com/ru/post/fr391803/


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