Введение

Одноклеточный организм, также известный как одноклеточный, – это организм, состоящий из одной клетки, в отличие от многоклеточного организма, состоящего из множества клеток. Организмы делятся на две основные категории: прокариоты и эукариоты. Большинство прокариотов одноклеточны и классифицируются как бактерии и археи. Многие эукариоты многоклеточны, но некоторые являются одноклеточными, например, простейшие, одноклеточные водоросли и одноклеточные грибы. Считается, что одноклеточные организмы – самая древняя форма жизни, и ранние протоклетки могли появиться 3,8–4,8 миллиарда лет назад. Хотя некоторые прокариоты живут в колониях, они не представляют собой специализированные клетки с различными функциями. Эти организмы живут вместе, и каждая клетка должна самостоятельно осуществлять все жизненно важные процессы для выживания. В отличие от них, даже у самых простых многоклеточных организмов клетки зависят друг от друга для выживания. Большинство многоклеточных организмов имеют стадию одноклеточности в жизненном цикле. Например, гаметы – это репродуктивные одноклеточные структуры многоклеточных организмов. Кроме того, многоклеточность, по-видимому, эволюционировала независимо многократно в истории жизни. Некоторые организмы являются частично одноклеточными, как Dictyostelium discoideum. Кроме того, одноклеточные организмы могут быть многоядерными, например, Caulerpa, Plasmodium и Myxogastria.

Эволюционная гипотеза

Первобытные протоклетки были предшественниками современных одноклеточных организмов. Хотя происхождение жизни во многом остается загадкой, согласно современной преобладающей теории, известной как гипотеза мира РНК, ранние молекулы РНК служили основой для катализа органических химических реакций и самовоспроизведения. Компартаментализация была необходима для повышения вероятности химических реакций, а также для отделения их от внешней среды. Например, ранний РНК-репликатор, рибозим, мог бы реплицировать другие репликаторные рибозимы с различными РНК-последовательностями, если бы они не были изолированы. Такие гипотетические клетки с РНК-геномом вместо обычного ДНК-генома называются "рибоклетки" или "рибоциты". У большинства прокариотов вместо этого имеется нерегулярная область, содержащая ДНК, известная как нуклеоид. Большинство прокариотов имеют одну кольцевую хромосому, в отличие от эукариотов, которые обычно имеют линейные хромосомы. С точки зрения питания, прокариоты способны использовать широкий спектр органических и неорганических веществ для метаболизма, включая серу, целлюлозу, аммиак или нитриты. Прокариоты относительно широко распространены в окружающей среде, и некоторые (известные как экстремофилы) процветают в экстремальных условиях.

Бактерии

Бактерии – одна из древнейших форм жизни на Земле и встречаются практически повсеместно в природе. Плазмиды могут нести гены, ответственные за приобретение новых свойств, среди которых в настоящее время особенно важна устойчивость к антибиотикам. Бактерии преимущественно размножаются бесполым путем посредством процесса, называемого бинарным делением. Однако около 80 различных видов способны к половому процессу, известному как естественная генетическая трансформация. Трансформация – это бактериальный процесс переноса ДНК из одной клетки в другую, который, по всей видимости, является адаптацией для восстановления повреждений ДНК в клетке-реципиенте. Помимо этого, плазмиды могут обмениваться посредством пили в процессе, называемом конъюгацией. Строматолиты – структуры, состоящие из слоев карбоната кальция и захваченного осадка, оставленные цианобактериями и ассоциированными с ними бактериями, оставили обширные ископаемые свидетельства. Существование строматолитов предоставляет ценную информацию об эволюции цианобактерий, которые встречаются в архейском (от 4 до 2,5 миллиардов лет назад), протерозойском (от 2,5 до 540 миллионов лет назад) и фанерозойском (от 540 миллионов лет назад до наших дней) эонах.

Археи

Гидротермальные источники выделяют тепло и сероводород, что позволяет экстремофилам выживать за счет хемолитотрофного роста. Археи обычно похожи по внешнему виду на бактерии, что и послужило причиной их первоначальной классификации как бактерии, однако они обладают значительными молекулярными различиями, особенно в структуре мембраны и рибосомной РНК. После секвенирования рибосомной РНК было установлено, что археи, вероятно, отделились от бактерий и были предшественниками современных эукариот, и фактически более тесно связаны с эукариотами с точки зрения филогении. Некоторые археи обитают в самых биологически неблагоприятных средах на Земле, и считается, что это в некоторой степени имитирует ранние, суровые условия, которым, вероятно, подвергалась жизнь. Примеры этих археических экстремофилов следующие: термофилы, оптимальная температура роста 50–110 °C, включая роды Pyrobaculum, Pyrodictium, Pyrococcus, Thermus aquaticus и Melanopyrus; психофилы, оптимальная температура роста менее 15 °C, включая роды Methanogenium и Halorubrum; ацидофилы, оптимальное значение pH для роста менее 3, включая роды Sulfolobus и Picrophilus; пиезофилы (также известные как барофилы), предпочитающие высокое давление до 130 МПа, например, в глубоководных средах, включая роды Methanococcus и Pyrococcus. Метаногены – значительная подгруппа архей, включающая множество экстремофилов, но также широко распространенные в водно-болотных угодьях, а также в рубце и задней кишке животных. В этом процессе водород используется для восстановления углекислого газа до метана, высвобождая энергию в форме аденозинтрифосфата. В стрессовых условиях окружающей среды, вызывающих повреждение ДНК, некоторые виды архей агрегируют и передают ДНК между клетками. Функция этой передачи, по-видимому, заключается в замене поврежденной последовательности ДНК в клетке-реципиенте на неповрежденную последовательность от клетки-донора.

Эукариоты

В эукариотических клетках содержатся мембранно-связанные органеллы, например, митохондрии, ядро или аппарат Гольджи. Прокариотические клетки, вероятно, перешли в эукариотические клетки между 2,0 и 1,4 миллиарда лет назад. Это был важный этап эволюции. В отличие от прокариотов, эукариоты размножаются посредством митоза и мейоза. Половое размножение представляется всеобщим, древним и неотъемлемым свойством эукариотической жизни. Мейоз, истинно половой процесс, обеспечивает эффективный рекомбинационный ремонт повреждений ДНК. Однако, если бы бактерии были способны к дыханию, для более крупной клетки было бы выгодно позволить паразиту жить в обмен на энергию и детоксикацию кислорода. Хотя не у всех эукариотов есть митохондрии или хлоропласты, митохондрии встречаются в большинстве эукариотических клеток, а хлоропласты – во всех растениях и водорослях. Фотосинтез и дыхание по сути являются обратными процессами друг другу, и появление дыхания в сочетании с фотосинтезом позволило получить значительно больший доступ к энергии, чем только ферментация.

Первоживотные

Протозои в основном определяются способом их передвижения, включающим жгутики, реснички и псевдоподии. Несмотря на значительные дебаты о классификации протозоев, вызванные их огромным разнообразием, в одной из систем в настоящее время признаются семь типов (фил) в царстве Протозои: Euglenozoa, Amoebozoa, Choanozoa sensu Cavalier Smith, Loukozoa, Percolozoa, Microsporidia и Sulcozoa. Протозои, как и растения и животные, могут быть гетеротрофами или автотрофами. Ресничные инфузории широко распространены практически во всех средах, где есть вода, и реснички ритмично сокращаются, чтобы обеспечить движение организма. У многих инфузорий есть трихоцисты – органеллы, похожие на копья, которые могут выбрасываться для захвата добычи, закрепления или защиты. Инфузории также способны к половому размножению и используют два ядра, уникальных для них: макронуклеус для нормального метаболического контроля и отдельное микронуклеус, подвергающееся мейозу. Entamoeba histolytica, по-видимому, способна к мейозу.

Одноклеточные водоросли

Одноклеточные водоросли — это автотрофные организмы, подобные растениям, и содержат хлорофилл. Они включают группы, в которых встречаются как многоклеточные, так и одноклеточные виды: Euglenophyta — жгутиковые, преимущественно одноклеточные водоросли, часто обитающие в пресной воде; диатомовые водоросли — одноклеточные водоросли с кремнеземными клеточными стенками. Они являются наиболее распространенной формой водорослей в океане, хотя встречаются и в пресной воде. Диатомовые водоросли очень разнообразны и насчитывают около 100 000 видов. Динофлагелляты могут быть миксотрофами и являются причиной явления "красного прилива".

Одноклеточные грибы

Одноклеточные грибы включают дрожжи. Грибы встречаются в большинстве сред обитания, хотя большинство из них обитает на суше. Дрожжи размножаются посредством митоза, и многие используют процесс, называемый почкованием, при котором основная часть цитоплазмы остаётся в материнской клетке. S. cerevisiae также является важным модельным организмом, поскольку это легко культивируемый эукариотический организм. Он использовался для изучения рака и нейродегенеративных заболеваний, а также для понимания клеточного цикла. Более того, исследования с использованием S. cerevisiae сыграли ключевую роль в понимании механизма мейотической рекомбинации и адаптивной функции мейоза. Виды Candida spp. являются возбудителями кандидоза, вызывающего инфекции полости рта и/или горла (известные как молочница) и влагалища (обычно называемые дрожжевой инфекцией).