Livets oprindelse: Kemisk udvikling, dannelse af det primitive liv og dets evolution

Livets oprindelse :: A. Chemogeny (kemisk udvikling) B. Biogeni (dannelse af det primitive liv) C. Kognogeni (Det primitive livs natur og dens evolution).

Moderne teori om livets oprindelse blev foreslået af en russisk biokemist, Alexander I. Oparin (1923 AD) og blev støttet af en britisk videnskabsmand, JBS Haldane (1928 AD), så kaldes også Oparin-Haldane-teorien.

Det erklærede, at det primitive liv stammede fra vandkropperne på den primitive jord fra ikke-levende organiske molekyler (fx RNA-proteiner osv.) Ved kemisk udvikling gennem en række kemiske reaktioner omkring 4 milliarder år siden (i prækambriske periode) ( dvs. ca. 500 millioner år efter jordens dannelse). Det er mest tilfredsstillende teori, fordi det har en videnskabelig forklaring og er blevet testet eksperimentelt. Oparin's teori er også kendt som primær abiogenese.

Forskellige trin i moderne teori er:

A. Chemogeny (kemisk udvikling):

(a) Betingelserne på den primitive jord, omkring 4 milliarder år siden, var sådanne, der favoriserede den kemiske udvikling. Når jordens overfladetemperatur var mindre end 100 ° C. Dens atmosfære havde nitrogen i form af ammorua (-NH3), kulstof i form af methan (-CH4) og oxygen i form af vanddampe (H20), men der var ingen fri ilt, så den primitive atmosfære var ”reducere”. Disse forbindelser blev kaldt protoplasmiske forbindelser.

(b) Som jorden nedkølet udviklede den en fast skorpe, som senere dannede nedtrykninger og forhøjelser. I mellemtiden kondenserede de atmosfæriske vanddampe og sluttede til overfladen som regn. Vand opsamlet i depressionerne opløst mineralerne som chlorid og fosfater og dannede endelig store vandkrop kaldet oceaner.

(c) dannelse af enkle organiske forbindelser:

Da jordoverfladen afkøles til 50-60 ° C, kombineres og rekombineres molekyler og mineraler i vandlegemer på forskellige måder gennem kondensations-, polymeriserings- og oxidoreduktionsfremgangsmåder til dannelse af simple organiske forbindelser som alkoholer, aldehyder, glycerol, fedtsyrer, puriner, pyrimidiner, simple sukkerarter (fx ribose, deoxyribose, glucose osv.) og aminosyrer.

Disse organiske forbindelser akkumulerede i vandlegemerne, fordi deres nedbrydning var meget langsom i fravær af nogen forbruger- eller enzymkatalysatorer eller fravær af oxygen. En sådan transformation er ikke mulig i den nuværende oxiderende atmosfære, fordi oxygen eller mikroforbrugere vil nedbryde eller ødelægge de levende partikler, der måtte opstå ved en simpel chance.

Energien til disse fotokemiske reaktioner blev tilvejebragt af en af ​​følgende faktorer:

(i) Vulkanudbrud (intens jordvarme)

(ii) solstråler (UV-stråler)

iii) Elektrisk energi produceret under lynet og

(iv) Forfald af radioaktive elementer.

Haldane foreslog, at disse enkle organiske forbindelser gradvist akkumulerede i disse vandlegemer og endelig blev der dannet en "varm tynd suppe" eller "præbiotisk suppe" eller bouillon. Dette satte scenen for forskellige kemiske reaktioner.

d) dannelse af komplekse organiske forbindelser

Enkle organiske forbindelser viste mulige kemiske reaktioner og polymerisering til endelig dannelse af komplekse organiske forbindelser som polysaccharider, fedtstoffer, nukleotider, nukleinsyrer, polypeptider etc.

De vigtigste energikilder til de kemiske reaktioner og dannelsen af ​​polymerer var: elektrisk udladning, lyn, solenergi, ATP og pyrophosphater. Fordampning af vand førte til koncentration af monomerer og favoriseret polymerisering.

Disse polymerer var mere stabile, så disse dominerede i vandlegeme. Høj koncentration af polymerer skiftede den kemiske ligevægt mod dannelsen af ​​stabile polymerer fra ustabile monomerer.

(e) dannelse af protobionter:

For livets oprindelse skal følgende tre betingelser være opfyldt:

(i) Der skal være en kontinuerlig tilførsel af selvproducerende molekyler, der kaldes replikatorer.

(ii) Kopiering af disse replikatorer skal have været genstand for mutation (ændring).

(iii) Reproduktionssystemet skal have krævet en fortsat forsyning af fri energi og deres delvise isolation fra det generelle miljø.

Hovedfaktoren ansvarlig for mutationer i replikatorerne (præbiotiske molekyler) var sandsynligvis termiske bevægelser induceret af høj temperatur, medens den delvise isolering er opnået inden for deres aggregater. Oparin og Sydney Fox foreslog, at komplekse organiske forbindelser syntetiseret abiogenetisk på den primitive jord senere tendens til at akkumulere og dannede store kolloidale cellelignende aggregater kaldet protobionter.

Sådanne første ikke-cellulære livsformer opstod sandsynligvis 3 milliarder år tilbage. Disse ville have gigantiske molekyler indeholdende RNA, protein, polysaccharider osv. Disse aggregater kan adskille kombinationer af molekyler fra omgivelserne og kan opretholde et indre miljø.

Men deres største ulempe var, at de ikke kunne reproducere. Disse mikroskopiske, sfæriske, stabile og motile aggregater blev kaldt coacervates (L. acervus = bunke - Figur 7.4) af Oparin og mikrosfærer af Sydney Fox.

Da disse coacervates ikke har lipid ydre membran og ikke kan reproducere, undlader de at opfylde kravene som kandidat for sandsynlige livsforløberne. Mikrosfærer blev vellykkede og multiplicerede, da de havde kraften i vækst og opdeling (spirende, fragmentering og binær fission - figur 7.5).

B. Biogeni (dannelse af primitive liv):

Da cellulær fysiologi er resultatet af enzymatisk aktivitet, skal enzymerne have udviklet sig før cellerne. Gradvist blev genaggregaterne omgivet af et komplekst system af enzymer, der dannede cytoplasmaet. Disse enzymer kunne have kombineret nitrogenbaser, simple sukkerarter og fosfater i nukleotiderne.

Nukleotider kan have kombineret for at danne nukleinsyre, som synes at være biomolekylerne, der opfylder betingelsen for tilførsel af replikatorer i livets oprindelse.

I øjeblikket arbejder molekylærbiologien på princippet om central dogma, som siger at strømmen af ​​genetiske informationer er ensrettet og er vist som nedenfor:

DNA (Transkription) → RNA (Oversættelse) → Protein

(Med genetisk information er) (Med genetisk besked)

Denne mekanisme udviklede sig sandsynligvis fra en meget enklere mekanisme.

Nukleinsyre og proteiner (enzymer) er to indbyrdes afhængige biomolekyler. Proteiner syntetiseres ved en proces, som begynder med transkriptionen af ​​informationer fra DNA til mRNA efterfulgt af translation på ribosomer, mens nukleinsyrer er afhængige af de proteiniske enzymer til deres replikation.

Således danner proteiner og nukleinsyrer to primære kemiske forbindelser af livet. Proteinoid teorien fastslår, at proteinmolekyler udviklede sig først, mens nøgne-gen-hypotesen siger, at nukleinsyre stammer fra først og kontrollerede dannelsen af ​​proteiner.

In vitro-syntese af RNA-molekyle af 77 ribonucleotider af HG Khorana (1970) gav anledning til spekulation, at sandsynligvis RNA, og ikke DNA, var det primordiale genetiske materiale. Denne opfattelse blev yderligere understøttet af opdagelsen af ​​visse Ribozymes (RNA-molekyler med enzymatiske egenskaber).

Så det seneste synspunkt er, at de første celler brugte RNA som deres arvelige materiale, og senere DNA udviklede sig kun fra en RNA-skabelon, når RNA-baseret liv blev indesluttet i membraner. Endelig erstattede DNA RNA som det genetiske materiale for de fleste organismer. Nogle chance for association af proteiner, puriner, pyrimidiner og andre organiske forbindelser kunne have givet anledning til et system, der kunne reproducere.

En tynd begrænsende membran blev udviklet omkring cytoplasma ved foldning af monolag af phospholipider til dannelse af cellemembran. Det er således muligt, at første celler opstod på samme måde som koacervater blev dannet i primitive vandlegemer. De første "cellelignende" strukturer med divisionskraft blev kaldt "eobionts" eller "Pre-celle". Sådanne første cellulære former for liv stammer fra omkring 2.000 millioner år siden.

Disse var måske ligner Mycoplasma, som gav anledning til Monerans (celler uden en veldefineret kerne) og protistans (celler med særskilt kerne). Moneraen omfattede prokaryoter som bakterier og cyanobakterier. Protista gav anledning til eukaryoter, der udviklede sig til Protozoa, Metazoa og Metaphyta. Denne tidlige encellede fælles forfader af archaebacteria, eubacteria og eukaryoter blev kaldt progenote.

Eksperimentel Bevis for Abiogen Molekylær Evolution af Livet:

I 1953 e.Kr. viste Stanley L. Miller (figur 7.8) (en biokemiker) og Harold C. Urey (en astronom) eksperimentelt dannelsen af ​​enkle organiske forbindelser fra enklere forbindelser under reducerende betingelser (figur 7.9).

Det kaldes simuleringseksperiment. Det havde til formål at vurdere gyldigheden af ​​Oparin og Haldane påstand om oprindelse af organiske molekyler i den primære jordtilstand. De underkastede en blanding af methan-ammoniak-hydrogen-vand (simulering af primordial atmosfære) i ca. en uge over en elektrisk gnist (på ca. 75.000 volt, som simulerede lakningen af ​​primitiv jord og tilvejebragte en temperatur på ca. 800 ° C) mellem to wolframelektroder i et gaskammer (kaldet gnistudladningsapparat) anbragt under reducerende betingelser.

Methan, ammoniak og hydrogen blev taget i forholdet 2: 2: 1. De passerede de varme produkter gennem en kondensator (til kondensering og opsamling af vandigt slutprodukt,

Tilsvarende Haldanas suppe).

Kontrolforsøget indeholdt alle krav undtagen energikilden. Efter atten dage analyserede de kemiske forbindelser kemisk ved chromatografiske og kolorimetriske metoder. De fandt mange aminosyrer (glycin, alanin, asparaginsyre, glutaminsyre etc.), peptider, puriner, pyrimidiner og organiske syrer.

Disse puriner og pyrimidiner virkede som precursorer for nukleinsyrer. Disse aminosyrer er essentielle for dannelsen af ​​proteiner. Mellemprodukterne blev fundet at være aldehyder og HCN. I kontrolforsøget blev der observeret ubetydelig mængde organiske molekyler.

Analyse af meteoritindhold afslørede også lignende forbindelser, der indikerer lignende processer, der forekommer andetsteds i rummet.

Eksperimentelt bevis for dannelse af komplekse organiske forbindelser:

Sydney W. Fox (1957 AD) rapporterede, at når en blanding af 18-20 aminosyrer opvarmes til kogepunktet (160 til 210 ° C i adskillige timer) og derefter afkøles i vand, er mange aminosyrer polymeriserede og dannede polypeptidkæder, kaldet proteinoider.

Fox udtalte, at disse proteinoider med vand dannede de kolloide aggregater kaldet coacervates eller mikrosfærer (figur 7.10). Disse var omkring 1-2 μm i diameter, svarende til coccoid bakterier i form og størrelse.

Disse kan induceres at indsnævre overfladisk ligner spirende i bakterier og svampe (gær). Han rapporterede også dannelsen af ​​porfyriner, nukleotider og ATP fra uorganiske forbindelser og HCN.

Dannelse af komplekse aggregater:

Oparin rapporterede, at hvis en blanding af et stort protein og et polysaccharid rystes, dannes koacervater. Kernen af ​​disse coacervater blev primært dannet af protein, polysaccharid og noget vand og blev delvist isoleret fra den omgivende vandige opløsning med lavere mængde proteiner og polysaccharider. Men disse coacervates har ikke ydre membran af lipider og kunne ikke reproducere.

C. Cognogeny (Det primitive livs natur og dets evolution):

Den naturlige sektion fungerede selv på tidspunktet for livets oprindelse. Fortsat udvælgelse af mere succesfulde eobionter ledsaget af perfektion af membransystem medførte sandsynligvis dannelsen af ​​første celle.

Tidligere celler var anaerobe (opnåede energi ved fermentering af nogle organiske molekyler, da der ikke var nogen ilt tilgængelig), prokaryotisk (med nukleoid som i bakterier) og kemoheterotrofisk (afledt færdigretter fra eksisterende organiske molekyler).

Disse begyndte at udlede næringsmæssige organiske forbindelser fra de primitive have som deres byggesten og energikilder. Så disse celler voksede til enorm størrelse. For at begrænse deres størrelse startede kemoheterotrofer cellemitose og øgede dermed deres antal.

For at klare den udtømmende forsyning af organiske forbindelser udviklede nogle af disse kemoheterotrofer sig til anaerobe, prokaryote og kemoautotrofer. Disse begyndte at syntetisere deres egen økologiske fødevarer fra uorganiske forbindelser i nærværelse af kemisk energi (også fra nedbrydning af uorganiske forbindelser) og enzymer, f.eks. Sulfatreducerende bakterier, nitrificerende bakterier, jernbakterier osv. Hovedstyrken til denne form for udvikling blev foreslået at være af mutationer.

På grund af problemet med at øge manglen på uorganiske forbindelser udviklede nogle af kemoautotroferne porphyriner og bakteriochlorofyl (grøn fotosyntetisk pigment) og startede fotosyntese (syntese af kulhydrat). Dette førte til udviklingen af ​​anaerobe, prokaryote og fotoautotrofer. Disse udviklede sig omkring 3500-3800 millioner år siden.

Første fotoautotrofer var anoxygeniske, da disse ikke brugte vand som råmateriale i fotosyntese. Senere udviklede disse sande klorofyl og begyndte at anvende vandet som reagens, så O2 blev udviklet i fotosynteseprocessen. Første oxygeniske og aerobiske fotoautotrofer var cyanobakterier, som antages at udvikle sig omkring 3.300 - 3.500 millioner år siden.

Tilsvarende rapporterede JW Schopf (1967) tilstedeværelsen af ​​22 aminosyrer i en 3000 millioner sten, mens ældste mikrofossil tilhører blågrønalger, nemlig Archaespheroids barbertonensis, omkring 3, 3 til 3, 5 milliarder år siden.

I lang tid var de dominerende og måske de eneste former for liv på jorden bakterier, forme og cyanobakterier. Gradvist udviklede sig blågrønne alger til andre former for alger. Det skønnes, at eukaryoter udviklede sig omkring 1600 millioner år tilbage.

Første eukaryoter udviklede sig enten ved mutation i prokaryoter (Raff og Mahler, 1972) eller symbiotisk associering af forskellige prokaryoter (Marguilis, 1970). Senere blev der udviklet mange typer alger, svampe, protozoer og andre levende organismer.