Współczesne poglądy na temat chemicznej i biologicznej ewolucji

Nowoczesne poglądy na temat chemicznej i biologicznej ewolucji!

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 wchodzące w interakcje w celu wytworzenia wszystkich typów makrocząsteczek, które organizują się, tworząc pierwszy żywy system lub komórki.

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

Współczesne poglądy na temat pochodzenia życia obejmują ewolucję chemiczną i ewolucję biologiczną:

1. Ewolucja chemiczna:

(i) Faza atomowa:

Wczesna ziemia niezliczona ilość wolnych atomów 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.

(ii) Pochodzenie cząsteczek i prostych związków nieorganicznych:

Wolne atomy połączone tworzą cząsteczki i proste związki nieorganiczne. 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 złożonymi cząsteczkami prymitywnej ziemi.

(iii) Pochodzenie prostych związków organicznych (Monomery):

Pierwotna atmosfera zawierała gazy, takie jak CO ₂, CO, N, H ₂ itd. Azot i węgiel atmosfery w połączeniu z metalicznymi atomami, tworząc azotki i węgliki. Para wodna i węgliki metali przereagowały, tworząc pierwszy związek organiczny, metan (CH ₄ ). Później powstał cyjanowodór (HCN).

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.

Wczesne związki oddziaływały na siebie i wytwarzały proste związki organiczne, takie jak proste cukry (np. Ryboza, dezoksyryboza, glukoza itp.), Azotowe zasady (np. Purynę, pirymidyny), aminokwasy, glicerol, kwasy tłuszczowe, itp. Niektóre zewnętrzne źródła muszą działają na mieszaninę dla reakcji. 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.

Woda oceaniczna bogata w mieszaninę związków organicznych została określona przez JBS Haldane (1920) jako "gorąca, rozcieńczona zupa substancji organicznych". "Gorąca, rozcieńczona zupa" zwana jest również zupą prebiotyczną ". 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 r. Wykazał wyraźnie, że promieniowanie ultrafioletowe lub wyładowania elektryczne lub ciepło lub ich kombinacja może wytwarzać złożone związki organiczne z mieszaniny metanu, amoniaku, wody (strumienia wody) i wodoru.

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 udowodnił, że związki organiczne są podstawą życia.

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 wielką różnorodność związków organicznych, w tym puryn, pirymidyn i cukrów prostych, itp. Uważa się, że zasadnicze "bloki budulcowe", takie jak nukleotydy, aminokwasy itp. Organizmów żywych mogły zatem powstać na prymitywna ziemia.

(iv) Pochodzenie złożonych związków organicznych (polimerów):

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 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.

2. Ewolucja biologiczna:

Do powstania życia potrzebne są co najmniej 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.

Pochodzenie cząsteczek prebiotycznych:

Trzeci warunek, częściowa izolacja, został osiągnięty w agregatach sztucznie formowanych cząsteczek prebiotycznych. Te agregaty nazywane są protobiontami, które mogą oddzielać kombinacje cząsteczek od otoczenia. Utrzymują wewnętrzne środowisko, ale nie są w stanie się rozmnażać. Dwa ważne protobionty to koacerwaty i mikrokulki.

Coacervates:

Oparin (1924) zaobserwował, że jeśli wstrząsa się mieszaniną dużego białka i polisacharydu, tworzą się koacerwaty. Koacerwaty zawierają głównie białka, polisacharydy i trochę wody. Koacerwaty z lekiem Oparin wykazują również prostą formę metabolizmu. Ponieważ te koacerwaty nie mają zewnętrznych błon lipidowych, więc nie mogą się rozmnażać. Tak więc nie spełniają one wymogu prawdopodobnych prekursorów życia.

Mikrokulki:

Gdy mieszaniny sztucznie wytworzonych związków organicznych miesza się z zimną wodą, tworzą się mikrokulki. Jeśli mieszanina zawiera lipidy, powierzchnia mikrosfer składa się z dwuwarstwy lipidowej, przypominającej (pamiętając o przeszłości) dwuwarstwę lipidową błon komórkowych. Sydney Fox (1950) podgrzał mieszaninę 18 kwasów amonowych do temperatur od 130 do 180 ° C. Otrzymał stabilne, białkowe makrocząsteczki, które nazwał protenoidami.

Po ochłodzeniu materiału protonowego i zbadaniu go pod mikroskopem, Fox zaobserwował małe sferyczne komórki, które powstały w wyniku agregacji protenoidów. Te agregaty molekularne nazywane były mikrosferami protenoidowymi. Pierwsze niekomórkowe formy życia mogły powstać 3 miliardy lat temu. Byłyby gigantycznymi cząsteczkami (RNA, białka i polisacharydy itp.).

Właściwości fizyczne mikrosfer protonowych:

Były sferyczne mikroskopijne z około 1 do 2 (jestem w średnicy, podobny do wielkości i kształtu bakterii kokosowych.

Strukturalne właściwości mikrosfer protenoidów:

Pod mikroskopem elektronowym zaobserwowano koncentryczne, dwuwarstwowe granice wokół nich, przez które dochodzi do dyfuzji materiału. 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.

Enzymopodobne aktywności mikrosfer protonowych:

Stwierdzono, że wykazują one aktywność katalityczną, taką jak degradacja glukozy. Ta aktywność enzymatyczna mikrosfer protonowych jest częściowo tracona podczas ogrzewania.

Główną wadą mikrosfer protonowych jest to, że mają one ograniczoną różnorodność. Tak więc mechanizm częściowej izolacji prowadzącej do powstania protobiontów pozostaje nadal nierozwiązany.

Ponieważ zarówno białko jak i kwasy nukleinowe (wraz z innymi prostszymi substancjami) są wymagane do rozwoju i reprodukcji organizmów żyjących dzisiaj, oczywistym pytaniem jest, które z tych substancji powstały jako pierwsze? Nie ma dla niego jasnej odpowiedzi.

Pierwszy model RNA:

W ostatnich latach dowody przemawiają za tym, że RNA jest materiałem pierwszego utworzonego genu (Woese, 1967, Crick 1968, Orgel 1973, 1986 Watson i wsp. 1986, Darnell i wsp. 1986). Tak więc RNA może być pierwszym polimerem i pewna forma odwrotnej transkrypcji mogła dać DNA, a RBA i DNA zaczęły kontrolować syntezę białek.

Dlaczego RNA, a nie DNA, było pierwszą żywą cząsteczką?

Aktywności enzymatyczne cząsteczek RNA są ciągle odkrywane, ale żadna aktywność enzymatyczna nigdy nie została przypisana DNA. Ponadto ryboza jest znacznie łatwiej syntetyzowana niż dezoksyryboza w stymulowanych warunkach prebiotycznych. Selektywną, korzystną cząsteczką RNA byłaby taka, która kieruje syntezą białka, która przyspiesza replikację określonego RNA (tj. Polimerazy RNA).

RNA może katalizować tworzenie cząsteczek lipidopodobnych, które z kolei mogą tworzyć błony komórkowe i białka. Białka mogły przejąć większość funkcji enzymatycznych, ponieważ są lepszymi katalizatorami niż RNA. Jeśli pierwsze komórki wykorzystały RNA jako dziedziczną cząsteczkę, DNA wyewoluowało z matrycy RNA. Po wyewoluowaniu komórek DNA prawdopodobnie zastąpił RNA w większości organizmów.

Formacja najwcześniejszych komórek:

(i) Pierwsze organizmy żywe pochodzą z cząsteczek organicznych i w atmosferze wolnej od tlenu (atmosfera redukująca). Prawdopodobnie uzyskali energię poprzez fermentację niektórych z tych cząsteczek organicznych. Były beztlenowcami, zdolnymi do oddychania w nieobecności tlenu. Były one zależne od istniejących cząsteczek organicznych, a zatem były heterotrofami.

(ii) Po wyczerpaniu dostaw istniejących cząsteczek organicznych niektóre heterotrofy mogły ewoluować w autotrofy. Organizmy te były zdolne do wytwarzania własnych cząsteczek organicznych poprzez chemosyntezę lub fotosyntezę.

(a) Chemosynteza:

Organizmy dokonujące chemosyntezy są nazywane chemoautotrofami. Były beztlenowe. Chemoautotrofy rozwinęły zdolność do syntezy cząsteczek organicznych z nieorganicznych surowców. Taki sposób odżywiania jest obecny nawet w niektórych bakteriach, np. Bakteriach siarkowych, bakteriach żelaznych, bakteriach nitryfikacyjnych.

(b) Fotosynteza:

Organizmy fotosyntetyczne, fototrofery, rozwinęły pigment chlorofilu poprzez połączenie prostych chemikaliów. Przygotowywali żywność ekologiczną przy użyciu energii słonecznej wychwytywanej przy pomocy chlorofilu. Brakowało im biochemicznych ścieżek do produkcji tlenu. Wciąż były beztlenowe i wykorzystywały wodór ze źródeł innych niż woda.

W późniejszym okresie rozwinęły się organizmy fotosyntetyczne uwalniające tlen. Były podobne do istniejących niebiesko-zielonych alg (sinic). Użyli wody, aby uzyskać wodór i uwolnić tlen. Dodanie O2 do atmosfery zaczęło utleniać metan i amoniak, który zaczął zanikać.

CH ₄ + 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O

4NH ₃ + 3O ₂ → 2N ₂ + 6H 2O

Życie było na Ziemi około 3, 9 miliarda lat temu. Jednak najstarsze odkryte mikroskamieniały to fotosyntetyczna sinica, która pojawiła się 3, 3 do 3, 5 miliarda lat temu.

Tworzenie warstwy ozonowej:

Gdy tlen gromadził się w atmosferze, światło ultrafioletowe zmieniło tifoxygen w ozon.

2O ₂ + O ₂ → 2O ₃

Ozon tworzy warstwę w atmosferze, blokując światło ultrafioletowe i pozostawiając światło widzialne jako główne źródło energii.

Pochodzenie komórek eukariotycznych (prawdziwe komórki jądrowe):

Oddychanie aerobowe wytworzyło wystarczającą ilość tlenu w prymitywnej atmosferze. Prokarionty stopniowo zmieniały się, dostosowując się do nowych warunków. Opracowali prawdziwe jądro i inne wyspecjalizowane organelle komórkowe. W ten sposób wolno żyjące, eukariotyczne komórki przypominające komórki powstały w Oceanie Ancierita prawdopodobnie około 1, 5 miliarda lat temu. Prymitywne eukarionty doprowadziły do ​​ewolucji protistów, roślin, grzybów i zwierząt.

Podsumowanie głównych etapów powstawania życia według współczesnej teorii pochodzenia życia.