Blisko cztery miliardy lat temu na Ziemi pojawiły się pierwsze formy życia i były to najwcześniejsze bakterie. Bakterie te ewoluowały z biegiem czasu i ostatecznie rozgałęziły się na wiele form życia obserwowanych dzisiaj. Bakterie należą do grupy organizmów zwanych prokariotami, jednokomórkowych jednostek, które nie zawierają wewnętrznych struktur związanych błonami. Inną klasą organizmów są eukarionty, które mają jądra związane z błoną i inne struktury. Mitochondria, które dostarczają energii komórce, są jedną z tych struktur związanych z błoną, zwanych organellami. Chloroplasty to organelle w komórkach roślinnych, które mogą wytwarzać żywność. Te dwa organelle mają wiele wspólnego z bakteriami i mogły wyewoluować bezpośrednio z nich.
Oddzielne genomy
Bakterie przenoszą swoje DNA, cząsteczkę zawierającą geny, w kolistych składnikach zwanych plazmidami. Mitochondria i chloroplasty mają własne DNA niesione w strukturach przypominających plazmidy. Ponadto DNA mitochondriów i chloroplastów, podobnie jak DNA bakterii, nie przyłącza się do struktur ochronnych zwanych histonami, które wiążą DNA. Organelle te wytwarzają własne DNA i syntetyzują własne białka niezależnie od reszty komórki.
Synteza białek
Bakterie wytwarzają białka w strukturach zwanych rybosomami. Proces wytwarzania białka rozpoczyna się od tego samego aminokwasu, jednej z 20 podjednostek, które tworzą białka. Ten wyjściowy aminokwas to N-formylometionina w bakteriach, a także w mitochondriach i chloroplastach. N-formylometionina jest inną formą aminokwasu metioniny; białka wytworzone w pozostałych rybosomach komórki mają inny sygnał startowy – zwykłą metioninę. Dodatkowo rybosomy chloroplastowe są bardzo podobne do rybosomów bakteryjnych i różnią się od rybosomów komórki.
Replikacja
Mitochondria i chloroplasty robią więcej z siebie w podobny sposób jak bakterie rozmnażają się. Jeśli mitochondria i chloroplasty zostaną usunięte z komórki, komórka nie może wytworzyć więcej tych organelli, aby zastąpić te, które zostały usunięte. Jedyny sposób, w jaki te organelle mogą być replikowane, to ta sama metoda stosowana przez bakterie: rozszczepienie binarne. Podobnie jak bakterie, mitochondria i chloroplasty powiększają się, duplikują swoje DNA i inne struktury, a następnie dzielą się na dwie identyczne organelle.
Wrażliwość na antybiotyki
Wydaje się, że działanie mitochondriów i chloroplastów jest zagrożone działaniem tych samych antybiotyków, które powodują problemy dla bakterii. Antybiotyki, takie jak streptomycyna, chloramfenikol i neomycyna, zabijają bakterie, ale powodują również uszkodzenia mitochondriów i chloroplastów. Na przykład chloramfenikol działa na rybosomy, struktury w komórkach, które są miejscami produkcji białka. Antybiotyk działa specyficznie na rybosomy bakteryjne; niestety wpływa również na rybosomy w mitochondriach, podsumowuje badanie z 2012 roku przeprowadzone przez dr Alison E. Barnhilla i współpracowników z Iowa State University College of Veterinary Medicine oraz opublikowali w czasopiśmie „Antimicrobial Agents and Chemotherapy”.
Teoria endosymbiotyczna
Ze względu na uderzające podobieństwa między chloroplastami, mitochondriami i bakteriami naukowcy zaczęli badać ich wzajemne relacje. Biolog Lynn Margulis opracował teorię endosymbiotyczną w 1967 roku, wyjaśniając pochodzenie mitochondriów i chloroplastów w komórkach eukariotycznych. Dr Margulis wysunął teorię, że zarówno mitochondria, jak i chloroplasty pochodzą ze świata prokariotycznego. Mitochondria i chloroplasty same w sobie były prokariotami, prostymi bakteriami, które utworzyły związek z komórkami gospodarza. Te komórki gospodarza były prokariotami, które nie były w stanie żyć w środowiskach bogatych w tlen i pochłonęły te prekursory mitochondrialne. Te organizmy gospodarzy dostarczały swoim mieszkańcom żywność w zamian za możliwość przetrwania w środowisku zawierającym trujący tlen. Chloroplasty z komórek roślinnych mogą pochodzić z organizmów podobnych do sinic. Prekursor chloroplastów zaczął żyć w symbiozie z komórkami roślinnymi, ponieważ te bakterie dostarczają swoim gospodarzom pożywienie w postaci glukozy, podczas gdy komórki gospodarza oferują bezpieczne miejsce do relacja na żywo.