Pochodzenie życia: współczesna teoria pochodzenia życia
Przeczytaj ten artykuł, aby zapoznać się z Teorią Nowoczesną znaną również jako Oparin-Haldane Theory of Origin of Life!
Nowoczesna teoria lub Oparin-Haldane Theory of Origin of Life:
Zgodnie z tą teorią życie powstało na wczesnym etapie ziemskim poprzez procesy fizyko-chemiczne atomów łączących się w cząsteczki, cząsteczki z kolei reagowały na nieorganiczne i organiczne związki. Związki organiczne oddziaływały na siebie, wytwarzając wszystkie rodzaje makrocząsteczek, które organizowały się w celu utworzenia pierwszego żywego systemu lub komórek.
Zdjęcie dzięki uprzejmości: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Blacksmoker_in_Atlantic_Ocean.jpg
Zgodnie z tą teorią "życie" powstało na naszej ziemi spontanicznie z nieożywionej materii. Pierwsze związki nieorganiczne, a następnie związki organiczne powstały zgodnie z ciągle zmieniającymi się warunkami środowiskowymi. Nazywa się to ewolucją chemiczną, która nie może wystąpić w obecnych warunkach środowiskowych na Ziemi. Warunki odpowiednie do powstania życia istniały tylko na prymitywnej ziemi.
Teoria Oparina-Haldana jest również nazywana teorią chemiczną lub teorią naturalistyczną. AI Oparin (1894-1980) był rosyjskim naukowcem. Opublikował książkę "Pochodzenie życia" w 1936 roku i wydanie angielskie w 1938 roku. JBS Haldane (1892-1964) urodził się w Anglii, ale w lipcu 1957 roku wyemigrował do Indii i osiadł w Bhubaneswar w stanie Orissa. Był biologiem, biochemiką i genetykiem. Zarówno Oparin (1938), jak i Haldane (1929) przedstawili podobne poglądy na temat pochodzenia życia.
Widoki modów dotyczące pochodzenia życia obejmują ewolucję chemiczną i ewolucję biologiczną:
A. Ewolucja chemiczna (Chemogeny):
1. Faza atomowa:
Wczesna ziemia posiadała niezliczone atomy wszystkich pierwiastków (np. Wodoru, tlenu, węgla, azotu, siarki, fosforu itp.), Które są niezbędne do tworzenia protoplazmy. Atomy zostały rozdzielone na trzy koncentryczne masy w zależności od ich masy, (a) Najcięższe atomy żelaza, niklu, miedzi itp. Znaleziono w środku ziemi, (b) Średnie wagowe atomy sodu, potasu, krzemu, magnezu, aluminium, fosfor, chlor, fluor, siarka itp. zostały zebrane w rdzeniu ziemi, (c) Najlżejsze atomy azotu, wodoru, tlenu, węgla itp. utworzyły prymitywną atmosferę.
2. Tworzenie cząsteczek nieorganicznych:
Wolne atomy połączone tworzą nieorganiczne cząsteczki, takie jak H2 (wodór), N2 (azot), H2O (para wodna), CH 4 (metan), NH3 (amoniak), C02 (dwutlenek węgla). Atomy wodoru były najliczniejsze i najbardziej reaktywne w prymitywnej atmosferze.
Pierwsze atomy wodoru połączone ze wszystkimi atomami tlenu tworzą wodę i nie pozostawiają wolnego tlenu. Tak więc prymitywna atmosfera ograniczała atmosferę (bez wolnego tlenu) w przeciwieństwie do obecnej atmosfery utleniającej (z wolnym tlenem).
Atomy wodoru połączone są również z azotem, tworząc amoniak (NH 3 ). Tak więc woda i amoniak były prawdopodobnie pierwszymi cząsteczkami prymitywnej ziemi.
3. Tworzenie prostych organicznych cząsteczek (monomerów):
Wczesne cząsteczki nieorganiczne wchodziły w interakcje i wytwarzały proste cząsteczki organiczne, takie jak cukry proste (np. Ryboza, dezoksyryboza, glukoza itp.), Azotowe zasady (np. Purynę, pirymidyny), aminokwasy, glicerol, kwasy tłuszczowe itp.
Ulewne deszcze musiały spaść. Gdy woda spłynęła w dół, musiała się rozpuścić i przenieść wraz z nią sole i minerały, a ostatecznie zgromadziła się w postaci oceanów. Tak więc starożytna woda oceaniczna zawierała duże ilości rozpuszczonego NH3, CH4, HCN, azotki, węgliki, różne gazy i pierwiastki.
CH 4 + C0 2 + H 2 0 -> Cukry + glicerol + kwasy tłuszczowe
CH 4 + HCN + NH 3 + H 2 0 -> puryn + pirymidyny
CH 4 + NH 3 + C0 2 + H 2 0 -> Aminokwasy
Niektóre źródła zewnętrzne musiały oddziaływać na mieszaninę w reakcjach. Te zewnętrzne źródła mogą być (i) promieniowaniem słonecznym, takim jak światło ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie itp., (Ii) energia z wyładowań elektrycznych, takich jak błyskawica, (iii) promieniowanie o wysokiej energii są innymi źródłami energii (prawdopodobnie niestabilne izotopy na prymitywna ziemia). W atmosferze nie było warstwy ozonowej.
Przypominający zupę bulion chemiczny utworzony w oceanach wczesnej ziemi, z której wyłoniły się żywe komórki, został nazwany przez JB Haldane'a (1920) jako "zupa prebiotyczna" (zwana również "gorącą, rozcieńczoną zupą"). Tak więc etap został ustawiony na połączenie różnych pierwiastków chemicznych. Po utworzeniu, cząsteczki organiczne nagromadziły się w wodzie, ponieważ ich degradacja była bardzo powolna w braku jakichkolwiek katalizatorów życia lub enzymów.
Eksperymentalne dowody na abiogenną molekularną ewolucję życia:
Stanley Miller w 1953 roku, który był wówczas absolwentem Harolda Ureya (1893-1981) na Uniwersytecie w Chicago, wykazał wyraźnie, że promieniowanie ultrafioletowe lub wyładowania elektryczne lub ciepło lub ich kombinacja może wytwarzać złożone związki organiczne z mieszanina metanu, amoniaku, wody (strumienia wody) i wodoru. Stosunek metanu, amoniaku i wodoru w eksperymencie Millera wynosił 2: 1: 2.
Miller rozprowadził cztery gazy - metan, amoniak, wodór i parę wodną w szczelnym aparacie i przepuszcza wyładowania elektryczne z elektrod w temperaturze 800 ° C. Przekazał mieszaninę przez skraplacz.
W ten sposób cyrkulował gazy w ten sposób przez tydzień, a następnie analizował skład chemiczny cieczy wewnątrz aparatu. Znalazł wiele prostych związków organicznych, w tym niektóre aminokwasy, takie jak alanina, glicyna i kwas asparaginowy. Miller przeprowadził eksperyment, aby przetestować koncepcję, że cząsteczki organiczne można syntetyzować w środowisku redukującym.
Występowały również inne substancje, takie jak mocznik, cyjanowodór, kwas mlekowy i kwas octowy. W innym eksperymencie Miller cyrkulował mieszaninę gazów w ten sam sposób, ale nie przepuszczał wyładowania elektrycznego. Nie mógł uzyskać znaczącej wydajności związków organicznych.
Później wielu badaczy zsyntetyzowało wiele różnych związków organicznych, w tym puryn, pirymidyn i cukrów prostych itp. Uważa się, że zasadnicze "bloki budulcowe", takie jak nukleotydy, aminokwasy itp. Żywych organizmów mogły zatem powstać na prymitywna ziemia.
4. Tworzenie złożonych cząsteczek organicznych (makrocząsteczki):
Różnorodne aminokwasy, kwasy tłuszczowe, węglowodory, puryn i zasady pirymidynowe, cukry proste i inne związki organiczne nagromadzone w starożytnych morzach. W pierwotnej atmosferze wyładowania elektryczne, błyskawice, energia słoneczna, ATP i polifosforany mogły dostarczyć energii do reakcji polimeryzacji w syntezie organicznej.
SW Fox z University of Miami wykazał, że jeśli podgrzewa się prawie suchą mieszaninę aminokwasów, syntetyzuje się cząsteczki polipeptydu. Podobnie proste cukry mogą tworzyć polisacharydy, a kwasy tłuszczowe mogą się łączyć, tworząc tłuszcze. Aminokwasy mogłyby tworzyć białka, gdy zaangażowane byłyby inne czynniki.
Tak więc małe proste cząsteczki organiczne połączono tworząc duże złożone cząsteczki organiczne, np. Jednostki aminokwasów połączone w celu utworzenia polipeptydów i białek, proste jednostki cukrowe połączone w celu utworzenia polisacharydów, kwasów tłuszczowych i glicerolu połączonych w celu utworzenia tłuszczów, cukrów, zasad azotowych i fosforanów połączone w nukleotydy, które polimeryzowały w kwasach nukleinowych w starożytnych oceanach.
Cukier + cukier ----> Polisacharydy
Kwasy tłuszczowe + glicerol ----> tłuszcze
Aminokwasy- + aminokwasy ----> Białka
Zasady azotowe + cukry pentozowe + fosforany ---> nukleotydy
Nukleotydy + nukleotydy ----> Kwasy nukleinowe
Który był pierwszy RNA lub białko?
Hipoteza pierwszego RNA:
We wczesnych latach 80-tych troje naukowców (Leslia orgel, Francis Crick i Carl Woese) niezależnie zaproponowało Świat RNA jako pierwszy etap ewolucji życia, w którym RNA katalizowało wszystkie cząsteczki niezbędne do przeżycia i replikacji. Thomas Ceck i Sidney Altman podzielili się w 1989 r. Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii, ponieważ odkryli, że RNA może być substratem i enzymem.
Jeśli pierwsze komórki wykorzystały RNA jako dziedziczną cząsteczkę, DNA wyewoluowało z matrycy RNA. DNA prawdopodobnie nie wyewoluowało jako dziedziczna cząsteczka, która nie pozostawia RNA, a życie w niej zawarte zostało zamknięte w błonie. Po wyewoluowaniu komórek DNA prawdopodobnie zastąpiło RNA jako kod genetyczny większości organizmów.
Hipoteza pierwszej proteiny:
Wielu autorów (na przykład Sidney Fox, 1978) twierdziło, że system katalityczny białka musiał rozwinąć się przed systemem replikacyjnym kwasu nukleinowego. Sidney Fox wykazał, że aminokwasy były polimeryzowane abiotycznie pod wpływem suchego ciepła z wytworzeniem proteinoidów.
Hipoteza Cairns-Smitha:
Został on zaproponowany przez Grahama Caims-Smitha, zgodnie z którym zarówno białka, jak i RNA powstały w tym samym czasie.
Formowanie się nukleoprotein:
Olbrzymie cząsteczki nukleoprotein zostały utworzone przez połączenie cząsteczek kwasu nukleinowego i białka. Te cząsteczki nukleoproteiny zostały opisane jako żywe geny. Nukleoproteiny dały prawdopodobnie pierwszy znak życia.
B. Ewolucja biologiczna (Biogeny):
Warunki powstania życia:
Do powstania życia potrzebne są przynajmniej trzy warunki.
(a) Musiał istnieć zapas replikatorów, tj. cząsteczek samozasilających się.
(b) Kopiowanie tych replikatorów musiało być obarczone błędem poprzez mutację.
(c) System replikatorów musiał wymagać ciągłego dostarczania darmowej energii i częściowej izolacji od ogólnego środowiska.
Wysoka temperatura we wczesnej fazie ziemskiej spełniłaby wymóg mutacji.
1. Protobionty lub protokomórki:
Są to co najmniej dwa rodzaje dość prostych laboratoryjnych struktur - koacerwaty Oparin i mikrosfery Foxa, które posiadają niektóre podstawowe warunki komórek proto.
Chociaż struktury te zostały stworzone sztucznie, wskazują na prawdopodobieństwo, że nie-biologiczne osłony membranowe (komórki proto) mogły utrzymywać systemy reaktywne przez co najmniej krótki okres czasu i doprowadziły do badań nad eksperymentalną produkcją cząsteczek zawierających pęcherzyki związane z błoną, tj., komórki proto.
(i) Coacervates:
Pierwsza hipoteza została zaproponowana przez Oparin (1920). Zgodnie z tą hipotezą wczesna komórka proto mogła być koacerwatem. Oparin dał określenie koacerwaty. Były to nieżywe struktury, które doprowadziły do powstania pierwszych żywych komórek, z których ewoluowały dzisiaj bardziej złożone komórki.
Oparin spekulował, że komórka proto składa się z węglowodanów, białek, lipidów i kwasów nukleinowych, które nagromadziły się tworząc koacerwat. Taka struktura mogłaby składać się z kolekcji organicznych makrocząsteczek otoczonych filmem cząsteczek wody.
Takie ułożenie cząsteczek wody, chociaż nie membrany, mogłoby funkcjonować jako fizyczna bariera między cząsteczkami organicznymi i ich otoczeniem. Mogli selektywnie pobierać materiały z otoczenia i włączać je do swojej struktury.
Koacerwaty zostały zsyntetyzowane w laboratorium. Mogą selektywnie absorbować chemikalia z otaczającej wody i wprowadzać je do swojej struktury. Niektóre koacerwaty zawierają enzymy kierujące specyficznym typem reakcji chemicznej.
Ponieważ brakuje im określonej błony, nikt nie twierdzi, że koacerwaty są żywe, ale wykazują pewne charakterystyczne dla życia postacie. Mają prostą, ale trwałą organizację. Mogą pozostawać w roztworze przez dłuższy czas. Mają zdolność do zwiększania rozmiaru.
(ii) Mikrokulki:
Inną hipotezą jest to, że wczesna komórka proto może być mikrosferą. Mikrosfera jest nieożywioną kolekcją makrocząsteczek organicznych z podwójną warstwową zewnętrzną granicą. Termin mikrosfera został nadany przez Sydney Fox (1958-1964).
Sidney Fox wykazał zdolność do tworzenia mikrosfer z proteinoidów. Proteinoidy są białkowymi strukturami składającymi się z rozgałęzionych łańcuchów aminokwasów. Proteinoidy powstają w wyniku syntezy dehydratacji aminokwasów w temperaturze 180 ° C. Fox z University of Miami wykazał, że możliwe jest łączenie pojedynczych aminokwasów w polimery proteinoidów. Wykazał również zdolność do tworzenia mikrosfer z tych proteinoidów.
Fox zaobserwował małe sferyczne komórki przypominające komórki powstałe w wyniku agregacji proteinoidów. Te agregaty cząsteczkowe nazwano mikrosferami białkowymi. Pierwsze niekomórkowe formy życia mogły powstać 3 miliardy lat temu. Byłyby gigantycznymi cząsteczkami (RNA, białka, polisacharydy itp.).
Mikrosfery można formować, gdy proteinoidy umieszcza się we wrzącej wodzie i wolno pozostawia do ochłodzenia. Część materiału proteinoidalnego tworzy strukturę podwójnie graniczną, która otacza mikrosferę. Chociaż ściany te nie zawierają lipidów, wykazują pewne cechy podobne do błony i sugerują strukturę błony komórkowej.
Mikrosfery pęcznieją lub kurczą się w zależności od potencjału osmotycznego w otaczającym roztworze. Wykazują również rodzaj ruchu wewnętrznego (strumieniowania) podobnego do tego, który wykazuje komórki i zawierają pewne proteinoidy, które działają jako enzymy. Wykorzystując ATP jako źródło energii, mikrokulki mogą kierować tworzeniem polipeptydów i kwasów nukleinowych. Mogą absorbować materiał z otaczającego ośrodka.
Mają zdolność poruszania się, wzrostu, podwójnego rozszczepienia na dwie cząstki i zdolność rozmnażania poprzez pączkowanie i fragmentację. Na pierwszy rzut oka ich pąki przypominają bakterie i grzyby.
Według niektórych badaczy mikrosfery można uważać za żywe komórki.
2. Pochodzenie Prokaryotes:
Prokarionty pochodziły z komórek proto około 3, 5 miliarda lat temu na morzu. Atmosfera była beztlenowa, ponieważ wolny tlen był nieobecny w atmosferze. Prokariota nie ma błony jądrowej, cytoszkieletu ani złożonych organelli. Dzieli się przez rozszczepienie binarne. Niektóre z najstarszych znanych ogniw kopalnych pojawiają się jako części stromatolitów. Stromatolity powstają dziś z osadów i fotosyntetycznych organizmów prokariotycznych (głównie nitkowate cynobakterie - niebieskie zielone algi).
3. Ewolucja trybów żywienia:
(i) Heterotrofy:
Najwcześniejsze prokarioty przypuszczalnie otrzymywały energię poprzez fermentację cząsteczek organicznych z bulionu morskiego w atmosferze wolnej od tlenu (atmosfera redukująca). Wymagali oni gotowego materiału organicznego jako pokarmu i dlatego byli heterotrofami.
(ii) Autotrofy:
Ze względu na szybki wzrost liczby heterotrofów, substancje odżywcze z wody morskiej zaczęły zanikać i stopniowo się wyczerpywały. To doprowadziło do ewolucji autotrofów. Organizmy te były zdolne do wytwarzania własnych cząsteczek organicznych poprzez chemosyntezę lub fotosyntezę.
(a) Chemoautotrofy:
Upadek temperatury zatrzymał syntezę cząsteczek organicznych w wodzie morskiej. Niektóre z wczesnych organizmów prokariotycznych zostały przekształcone w chemoautotrofy, które przygotowały żywność organiczną, wykorzystując energię uwolnioną podczas pewnych nieorganicznych reakcji chemicznych. Te beztlenowe chemoautotrofy były jak obecne bakterie beztlenowe. Wydali CO 2 w atmosferze.
(b) Fototrofy:
Ewolucja cząsteczki chlorofilu umożliwiła niektórym komórkom proto-komórkom wykorzystanie energii świetlnej i syntezę węglowodanów. Były to beztlenowe fotoautotrofy. Nie używali wody jako źródła wodoru. Były podobne do dzisiejszych bakterii siarkowych, w których siarkowodór podzielił się na wodór i siarkę. Wodór był stosowany w produkcji żywności, a siarka uwalniana była jako produkt odpadowy.
Aerobowe fotoautotrofy wykorzystywały wodę jako źródło wodoru i dwutlenku węgla jako źródło węgla do syntezy węglowodanów w obecności energii słonecznej. Pierwszymi aerobowymi fotoautotrofami były cyjanobakterie (niebiesko-zielone algi) podobne do form, które zawierały chlorofil. Uwalniali tlen w atmosferze jako produkt uboczny fotosyntezy. Głównym źródłem zmienności genetycznej była mutacja.
Rewolucja tlenowa:
Wraz ze wzrostem liczby fototrofów, tlen uwalniano w morzu i atmosferze. Wolny tlen, który przereagował z metanem i amoniakiem obecnymi w prymitywnej atmosferze i przekształcił metan i amoniak w dwutlenek węgla i wolny azot.
CH 4 + 20 2 -----> CO 2 + 2H 2 O
4NH 3 + 3O 2 ----> 2N2 + 6H2O
Najstarsza skamielina należąca do niebieskozielonych alg, o nazwie Archaeospheroides barbertonensis, która ma 3, 2 miliarda lat. Prokarioty uwalniające tlen pojawiły się po raz pierwszy co najmniej 2, 5 miliarda lat temu.
4. Tworzenie warstwy ozonowej:
Gdy tlen gromadził się w atmosferze, światło ultrafioletowe zmieniło trochę tlenu w ozon.
2O 2 + O 2 ----> 2O 3
Ozon tworzy warstwę w atmosferze, blokując światło ultrafioletowe i pozostawiając światło widzialne jako główne źródło energii.
5. Pochodzenie Eukaryota:
Eukarioty rozwinęły się z prymitywnych komórek prokariotycznych około 1, 5 miliarda lat temu. Istnieją dwa poglądy na temat pochodzenia eukariontów.
(i) Symbiotyczne pochodzenie:
Według Margulis (1970-1981) z Boston University, niektóre beztlenowe komórki gospodarza drapieżnika pochłonęły prymitywne bakterie tlenowe, ale nie strawiły ich. Te bakterie tlenowe powstały wewnątrz komórek gospodarza jako symbionty. Takie drapieżne komórki gospodarza stały się pierwszymi komórkami eukariotycznymi.
Komórki drapieżne, które pochłonęły bakterie tlenowe, przekształciły się w komórki zwierzęce, podczas gdy te, które wychwyciły zarówno tlenowe, jak i niebiesko-zielone algi, stały się eukariotycznymi komórkami roślinnymi. Bakterie tlenowe utworzyły się jako mitochondria i niebiesko-zielone algi jako chloroplasty.
(ii) Pochodzenie przez Invagination:
Zgodnie z tym poglądem organelle komórkowe komórek eukariotycznych mogą pochodzić z inwokacji błony powierzchniowej prymitywnych komórek prokariotycznych.
