Pochodzenie życia: Ewolucja chemiczna, tworzenie prymitywnego życia i jego ewolucja

Pochodzenie życia :: A. Chemogeny (rozwój chemiczny) B. Biogeny (tworzenie prymitywnego życia) C. Cognogeny (natura życia prymitywnego i jego ewolucja).

Współczesna teoria pochodzenia życia została zaproponowana przez rosyjskiego biochemika Aleksandra I. Oparina (1923 r.) I była wspierana przez brytyjskiego naukowca JBS Haldane (1928 r.), Tak zwana jest teoria Oparina-Haldana.

Stwierdzono, że prymitywne życie powstało w zbiornikach wodnych na prymitywnej ziemi z nieożywionych cząsteczek organicznych (np. Białek RNA itp.) Poprzez ewolucję chemiczną poprzez serię reakcji chemicznych około 4 miliardów lat temu (w okresie prekambryjskim) ( tj. około 500 milionów lat po powstaniu ziemi). Jest to najbardziej satysfakcjonująca teoria, ponieważ ma naukowe uzasadnienie i została przetestowana doświadczalnie. Teoria Oparina jest również znana jako pierwotna abiogeneza.

Różne etapy nowoczesnej teorii to:

A. Chemogeny (Ewolucja chemiczna):

(a) Warunki na prymitywnej Ziemi, około 4 miliardów lat temu, były warunkami sprzyjającymi ewolucji chemicznej. Gdy temperatura powierzchni ziemi była niższa niż 100 ° C. Atmosfera miała azot w postaci amunicji (-NH3), węgla w postaci metanu (-CH4) i tlenu w postaci par wodnych (H2O), ale nie było wolnego tlenu, więc prymitywna atmosfera była "redukcja". Związki te nazwano związkami protoplazmatycznymi.

(b) Gdy ziemia ochłonęła, rozwinęła się stała skorupa, która później utworzyła depresje i elewacje. Tymczasem opary wody atmosferycznej skraplały się iw końcu wynurzyły się w postaci deszczu. Woda gromadziła się w zagłębieniach, rozpuszczała minerały, takie jak chlorek i fosforany, a na koniec tworzyła duże zbiorniki wodne zwane oceanami.

(c) Tworzenie prostych związków organicznych:

W miarę ochładzania powierzchni ziemi do temperatury 50-60 ° C cząsteczki i minerały występujące w jednolitych częściach wód łączyły się i rekombinowały na różne sposoby poprzez procesy kondensacji, polimeryzacji i oksydoredukcji, tworząc proste związki organiczne, takie jak alkohole, aldehydy, glicerol, kwasy tłuszczowe., puryn, pirymidyn, cukrów prostych (np. rybozy, dezoksyrybozy, glukozy, itp.) i aminokwasów.

Te związki organiczne gromadziły się w zbiornikach wodnych, ponieważ ich rozkład był bardzo powolny w przypadku braku jakichkolwiek katalizatorów konsumenckich lub enzymatycznych lub braku tlenu. Taka transformacja nie jest możliwa w obecnej atmosferze utleniającej, ponieważ tlen lub mikro-konsumenci rozkładają się lub niszczą żywe cząstki, które mogą powstać w wyniku zwykłego przypadku.

Energia dla tych reakcji fotochemicznych została zapewniona przez jeden z następujących czynników:

(i) erupcje wulkaniczne (intensywne suche ciepło Ziemi),

(ii) promieniowanie słoneczne (promieniowanie UV),

(iii) Energia elektryczna wytworzona podczas wyładowań atmosferycznych, oraz

(iv) Rozpad pierwiastków promieniotwórczych.

Haldane zaproponował, że te proste związki organiczne stopniowo gromadzą się w tych zbiornikach wodnych i ostatecznie powstaje "gorąca cienka zupa" lub "prebiotykowa zupa" lub bulion. To przygotowało scenę dla różnych reakcji chemicznych.

(d) Tworzenie złożonych związków organicznych:

Proste związki organiczne wykazały przypadkowe reakcje chemiczne i polimeryzację, aby ostatecznie utworzyć złożone związki organiczne, takie jak polisacharydy, tłuszcze, nukleotydy, kwasy nukleinowe, polipeptydy itp.

Główne źródła energii dla reakcji chemicznych i tworzenia polimerów to: wyładowanie elektryczne, błyskawica, energia słoneczna, ATP i pirofosforany. Odparowanie wody doprowadziło do stężenia monomerów i sprzyjało polimeryzacji.

Te polimery były bardziej stabilne, więc dominowały w zbiornikach wodnych. Wysokie stężenie polimerów przesunęło równowagę chemiczną w kierunku tworzenia trwałych polimerów z niestabilnych monomerów.

(e) Tworzenie się protobiont:

Ze względu na pochodzenie życia należy spełnić trzy warunki:

(i) Musi istnieć ciągła podaż samopodnoszących się cząsteczek, zwanych replikatorami.

(ii) Kopiowanie tych replikatorów musiało podlegać mutacji (zmianie).

(iii) System replikatorów musiał wymagać ciągłej dostawy darmowej energii i częściowej izolacji od środowiska ogólnego.

Głównym czynnikiem odpowiedzialnym za mutacje w replikatorach (cząsteczkach prebiotycznych) były prawdopodobnie ruchy termiczne wywołane przez wysoką temperaturę, natomiast częściowa izolacja została osiągnięta w ich agregatach. Oparin i Sydney Fox zaproponowali, że złożone związki organiczne syntetyzowane abiogenetycznie na prymitywnej ziemi, później wykazywały skłonność do gromadzenia się i tworzenia dużych koloidalnych komórek podobnych do komórek, zwanych protobiontami.

Takie pierwsze niekomórkowe formy życia prawdopodobnie powstały 3 miliardy lat temu. Miałyby one gigantyczne cząsteczki zawierające RNA, białko, polisacharydy itp. Agregaty te mogą oddzielać kombinacje cząsteczek od otoczenia i mogą utrzymywać środowisko wewnętrzne.

Ale ich główną wadą było to, że nie byli w stanie się rozmnażać. Te mikroskopijne, kuliste, stabilne i ruchliwe agregaty nazywane były koacerwatami (L. acervus = pile - ryc. 7.4) Oparin i mikrokulki Sydney Fox.

Ponieważ te koacerwaty nie mają zewnętrznej błony lipidowej i nie mogą się rozmnażać, nie spełniają wymagań jako kandydat na prawdopodobne prekursory życia. Mikrosfery odniosły sukces i zostały zwielokrotnione, ponieważ miały one siłę wzrostu i podziału (pączkowanie, fragmentacja i rozszczepienie binarne - ryc. 7.5).

B. Biogeny (tworzenie życia prymitywnego):

Fizjologia komórkowa jest wynikiem aktywności enzymatycznej, więc enzymy musiały rozwinąć się przed komórkami. Stopniowo agregaty genów zostały otoczone przez złożony układ enzymów, które utworzyły cytoplazmę. Enzymy te mogły łączyć w nukleotydy zasady azotowe, proste cukry i fosforany.

Nukleotydy mogły się łączyć, tworząc kwas nukleinowy, który wydaje się być biocząsteczkami spełniającymi warunek dostarczania replikatorów w źródle życia.

Obecnie biologia molekularna działa na zasadzie centralnego dogmatu, który stwierdza, że ​​przepływ informacji genetycznych jest jednokierunkowy i jest pokazany poniżej:

DNA (transkrypcja) → RNA (Translation) → Protein

(Z informacjami genetycznymi) (z komunikatem genetycznym)

Ten mechanizm prawdopodobnie ewoluował z dużo prostszego mechanizmu.

Kwas nukleinowy i białka (enzymy) to dwie współzależne biocząsteczki. Białka syntetyzuje się w procesie rozpoczynającym się od transkrypcji informacji z DNA na mRNA, a następnie translacji na rybosomach, podczas gdy kwasy nukleinowe są zależne od białkowych enzymów do ich replikacji.

Tak więc białka i kwasy nukleinowe tworzą dwa podstawowe związki chemiczne życia. Teoria proteolizy stwierdza, że ​​najpierw wyewoluowały cząsteczki białek, podczas gdy hipotezy nagiego genu stwierdzają, że kwas nukleinowy powstał najpierw i kontrolował tworzenie białek.

Synteza in vitro RNA cząsteczki 77 rybonukleotydów przez HG Khorana (1970) doprowadziła do spekulacji, że prawdopodobnie RNA, a nie DNA, był pierwotnym materiałem genetycznym. Pogląd ten był dodatkowo poparty odkryciem pewnych rybozymów (cząsteczek RNA mających właściwości enzymatyczne).

Najnowszy pogląd jest taki, że pierwsze komórki wykorzystały RNA jako materiał dziedziczny, a później DNA wyewoluowało z matrycy RNA tylko wtedy, gdy życie oparte na RNA zostało zamknięte w błonach. W końcu DNA zastąpiło RNA jako materiał genetyczny dla większości organizmów. Pewne przypadkowe połączenie białek, puryn, pirymidyn i innych związków organicznych mogło spowodować powstanie systemu, który mógłby się rozmnażać.

Wokół cytoplazmy rozwinęła się cienka membrana ograniczająca przez zwijanie monowarstwy fosfolipidów w celu utworzenia błony komórkowej. Jest więc możliwe, że pierwsze komórki powstały w ten sam sposób, w jaki powstały koacerwaty w prymitywnych zbiornikach wodnych. Pierwsze struktury "komórkowe" z mocą podziału nazywane były "eobiontami" lub "komórkami wstępnymi". Takie pierwsze formy życia w komórkach powstały około 2000 milionów lat temu.

Były one prawdopodobnie podobne do Mycoplasma, które dały początek Monerans (komórki bez dobrze zdefiniowanego jądra) i Protistans (komórki z odrębnym jądrem). Monera obejmowała prokarionty, takie jak bakterie i cyjanobakterie. Protista dał początek Eukaryotom, które przekształciły się w Protozoa, Metazoa i Metaphyta. Ten wcześnie jednokomórkowy wspólny przodek archebakterii, eubakterii i eukariontów był nazywany progenote.

Eksperymentalny dowód abiogennej molekularnej ewolucji życia:

W 1953 AD Stanley L. Miller (ryc. 7.8) (biochemik) i Harold C. Urey (astronom) eksperymentalnie udowodnili tworzenie się prostych związków organicznych z prostszych związków w warunkach redukujących (ryc. 7.9).

Nazywa się to eksperymentem symulacyjnym. Miało to na celu ocenę słuszności twierdzeń Oparina i Haldana o pochodzeniu cząsteczek organicznych w pradawnej ziemskiej kondycji. Poddali mieszaninie metan-amoniak-wodór-woda (symulując pierwotną atmosferę) przez około tydzień nad iskrą elektryczną (około 75 000 woltów, która symulowała rozjaśnienie prymitywnej ziemi i zapewniała temperaturę około 800 ° C) pomiędzy dwiema elektrodami wolframowymi w komora gazowa (zwana aparatem wyładowczym) umieszczona w warunkach redukujących.

Metan, amoniak i wodór zostały pobrane w stosunku 2: 2: 1. Przekazali gorące produkty przez skraplacz (w celu skraplania i zebrania wodnego produktu końcowego,

Odpowiednik zupy Haldane'a).

Eksperyment kontrolny zawierał wszystkie wymagania oprócz źródła energii. Po upływie osiemnastu dni dokonali chemicznej analizy związków chemicznych metodami chromatograficznymi i kolorymetrycznymi. Znaleźli wiele aminokwasów (glicynę, alaninę, kwas asparaginowy, kwas glutaminowy itp.), Peptydy, purynę, pirymidyny i kwasy organiczne.

Te puryn i pirymidyny działały jako prekursory kwasów nukleinowych. Te aminokwasy są niezbędne do tworzenia białek. Stwierdzono, że produkty pośrednie są aldehydami i HCN. W eksperymencie kontrolnym zauważono nieznaczną ilość cząsteczek organicznych.

Analiza zawartości meteorytu ujawniła również podobne związki wskazujące, że podobne procesy zachodzą w innych miejscach w przestrzeni kosmicznej.

Eksperymentalny dowód tworzenia złożonych związków organicznych:

Sydney W. Fox (1957 AD) doniósł, że gdy mieszaninę 18-20 aminokwasów ogrzewa się do temperatury wrzenia (160 do 210 ° C przez kilka godzin), a następnie schładza w wodzie, wiele aminokwasów polimeryzuje i tworzy łańcuchy polipeptydowe, nazywane proteinoidami.

Fox stwierdził, że te proteinoidy z wodą tworzą koloidalne agregaty zwane koacerwatami lub mikrosferami (ryc. 7.10). Miały one około 1-2 μm średnicy, podobnie do kształtu i wielkości bakterii kokosowych.

Mogłyby one zostać wywołane do zwężenia powierzchownie przypominającego pączkowanie w bakteriach i grzybach (drożdżach). Donosił także o tworzeniu porfiryn, nukleotydów i ATP ze związków nieorganicznych i HCN.

Tworzenie złożonych agregatów:

Oparin doniósł, że jeśli wstrząsa się mieszaniną dużego białka i polisacharydu, powstają koacerwaty. Rdzeń tych koacerwatów stanowił głównie białko, polisacharyd i pewną ilość wody i został częściowo wyizolowany z otaczającego roztworu wodnego o mniejszej ilości białek i polisacharydów. Ale te koacerwaty nie mają zewnętrznej błony lipidowej i nie były w stanie się rozmnażać.

C. Cognogeny (natura życia prymitywnego i jego ewolucja):

Naturalna sekcja działała nawet w momencie powstania życia. Ciągła selekcja bardziej udanych eobiontów wraz z perfekcją systemu membranowego prawdopodobnie doprowadziła do powstania pierwszej komórki.

Najwcześniejsze komórki były beztlenowe (otrzymywały energię w wyniku fermentacji niektórych cząsteczek organicznych, ponieważ nie było tlenu), prokariotyczne (z nukleoidami jak w bakteriach) i chemoheterotroficzne (otrzymano gotową żywność z istniejących cząsteczek organicznych).

Zaczęły one wyprowadzać odżywcze związki organiczne z prymitywnych mórz jako ich cegiełki i źródła energii. Więc komórki te urosły do ​​ogromnych rozmiarów. Aby ograniczyć ich rozmiar, chemoheterotrofy rozpoczęły mitozy komórkowe, a więc zwiększyły ich liczbę.

Aby poradzić sobie z wyczerpującą podażą związków organicznych, niektóre z tych chemoheterotrofów ewoluowały w beztlenowe, prokariotyczne i chemoautotroficzne. Rozpoczęli syntezę własnej żywności organicznej ze związków nieorganicznych w obecności energii chemicznej (również z rozkładu związków nieorganicznych) i enzymów, np. Bakterii redukujących siarczany, bakterii nitryfikacyjnych, bakterii żelaza itp. Siła główna dla tego rodzaju ewolucji została zaproponowana być mutacjami.

Wobec problemu zwiększania się niedoboru związków nieorganicznych, niektóre z chemoautotrofów rozwinęły porfiryny i bakteriochlorofil (zielony pigment fotosyntetyczny) i rozpoczęły fotosyntezę (synteza węglowodanów). Doprowadziło to do ewolucji beztlenowych, prokariotycznych i fotoautotrofów. Powstały one około 3500-3800 milionów lat temu.

Pierwsze fotoautotrofy były anoksygenowe, ponieważ nie wykorzystywały wody jako surowca w procesie fotosyntezy. Później rozwinęli prawdziwy chlorofil i zaczęli używać wody jako odczynnika, więc O2 wyewoluował w procesie fotosyntezy. Pierwsze tlenowe i aerobowe fotoautotrofy to cyjanobakterie, o których uważa się, że ewoluują około 3300 - 3500 milionów lat temu.

Podobnie JW Schopf (1967) doniósł o obecności 22 aminokwasów w 3000 milionach starych skał, podczas gdy najstarsza mikro-skamielina należy do niebieskozielonych alg, mianowicie Archaespheroids barbertonensis, około 3, 3 do 3, 5 miliarda lat temu.

Przez długi czas dominującymi i być może jedynymi formami życia na Ziemi były bakterie, pleśnie i sinice. Stopniowo niebiesko-zielone algi rozwinęły się w inne formy glonów. Szacuje się, że eukarioty rozwinęły się około 1600 milionów lat temu.

Pierwsze eukarioty ewoluowały poprzez mutację u prokariontów (Raff i Mahler, 1972) lub symbiotyczne kojarzenie różnych prokariotów (Marguilis, 1970). Później rozwinęło się wiele rodzajów glonów, grzybów, pierwotniaków i innych żywych organizmów.