细胞壁的演化史:古老生物如何建立这道防线?

细胞壁是某些细胞类型周围的结构层,位于细胞膜的外侧。它的性质可以是坚固、灵活,甚至有时是刚性的,主要是为了给细胞提供结构支持、形状保护以及作为选择性屏障。细胞壁的另一个重要功能是帮助细胞抵抗渗透压和机械压力的作用。虽然许多真核生物(包括动物)缺乏细胞壁,但在其他生物中,如真菌、藻类和植物中,细胞壁却是普遍存在的,几乎所有的原核生物也都具有细胞壁,除了某些无壁菌。细胞壁的组成在不同的分类群、物种、细胞类型以及细胞周期中会有所变化。

在陆生植物中,主要的细胞壁由纤维素、半纤维素和果胶等多糖组成。多数生物的细胞壁含有各种不同的聚合物。

细胞壁的历史

细胞壁的历史可以追溯到1665年,当时罗伯特·霍克首次观察并命名这个结构为“墙”。然而,这一“活生生的原生质的死去的排泄物”几乎在近三个世纪内被忽视,主要被科学家视为产业加工或人类健康的资源。到1804年,卡尔·鲁道夫和J.H.F.连克证明了细胞拥有独立的细胞壁。这之前,人们认为细胞共享墙壁,并且液体是通过这种方式来回流动的。

细胞壁的性能

细胞壁在那些拥有它们的生物体中履行了相似的功能。它们能给细胞提供刚性和强度,并在机械压力下提供保护。细胞壁的化学组成和机械特性与植物细胞的生长和形态生成密切相关。

在多细胞生物中,它们使生物体能够构建并保持明确的形状,限制有毒的大分子进入细胞,同时促进稳定的渗透环境的形成。

细胞壁的进化

细胞壁在许多生物群体中独立演化。光合作用真核生物(即植物和藻类)是一个拥有纤维素细胞壁的群体,其中细胞壁的演化与多细胞性、陆生化和血管化的演进密切相关。纤维素合成酶(CesA)的基因始于蓝绿藻并进入古藻类,而随后的次级内共生事件将其转移到棕色藻类和水霉中。植物后来从CesA中演化出各种基因,包括纤维素合成酶类(Csl)蛋白家族和其他Ces蛋白,结合各种糖基转移酶(GT),使得更复杂的化学结构得以建立。

植物细胞壁的结构和组成

植物细胞的细胞壁必须具有足够的抗拉强度,以抵抗由细胞内部渗透质量与外部溶液浓度差异所导致的内部渗透压。植物细胞壁的厚度范围从0.1至几微米不等。

植物细胞壁的主要组合物包括纤维素、半纤维素和果胶,这些大分子网络支撑了植物细胞的稳定性和灵活性。

真菌与其它生物的细胞壁

大多数真菌的细胞壁主要由几丁聚糖和其他多糖组成。这些真菌并不含纤维素,细胞壁是外部结构,位于质膜的外侧。真菌的细胞壁由三个主要组分构成:几丁聚糖、葡聚糖以及蛋白质。

结语

细胞壁的演化反映了生命在抵御外部压力和形成多样性方面的非凡潜能。从微藻到巨木,这道防线如何影响了生命的演化进程?

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