Livets oprindelse: Moderne teori om livets oprindelse

Læs denne artikel for at lære om Modern Theory også kendt som Oparin-Haldane Theory of Origin of Life!

Moderne teori eller Oparin-Haldane Livets oprindelse:

Ifølge denne teori opstod livet på den tidlige jord gennem fysisk-kemiske processer af atomer, der kombinerer for at danne molekyler, idet molekylerne igen reagerer for at producere uorganiske og organiske forbindelser. Organiske forbindelser interagerede for at producere alle typer af makromolekyler, som organiserede til at danne det første levende system eller celler.

Image Courtesy: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Blacksmoker_in_Atlantic_Ocean.jpg

Således udledes ifølge denne teori 'liv' på vores jord spontant fra ikke-levende materie. Første uorganiske forbindelser og derefter organiske forbindelser blev dannet i overensstemmelse med stadigt skiftende miljøforhold. Dette kaldes kemisk udvikling, som ikke kan forekomme under de nuværende miljøforhold på jorden. Betingelser egnet til livets oprindelse eksisterede kun på primitiv jord.

Oparin-Haldane-teorien kaldes også kemisk teori eller naturalistisk teori. AI Oparin (1894-1980) var en russisk forsker. Han udgav sin bog "Livets oprindelse" i 1936 og en engelsk udgave i 1938. JBS Haldane (1892-1964) blev født i England, men migreret til Indien i juli 1957 og bosatte sig i Bhubaneswar, Orissa. Han var biolog, biokemist og genetiker. Både Oparin (1938) og Haldane (1929) gav lignende synspunkter om livets oprindelse.

Modemvisninger vedrørende livets oprindelse omfatter kemisk udvikling og biologisk udvikling:

A. Kemisk udvikling (kemogeni):

1. Atomfasen:

Tidlige jordarter havde utallige atomer af alle disse elementer (fx hydrogen, ilt, kulstof, nitrogen, svovl, fosfor osv.), Som er essentielle for dannelsen af protoplasma. Atomer blev adskilt i tre koncentriske masser i overensstemmelse med deres vægte, (a) De tyngste atomer af jern, nikkel, kobber mv blev fundet i midten af jorden, (b) natriumvægtige atomer af natrium, kalium, silicium, magnesium, aluminium, fosfor, chlor, fluor, svovl osv. blev samlet i jordens kerne, (c) de letteste atomer af nitrogen, hydrogen, oxygen, carbon etc. dannede den primitive atmosfære.

2. Dannelse af uorganiske molekyler:

Fri atomer kombineret til dannelse af uorganiske molekyler, såsom H2 (hydrogen), N2 (nitrogen), H20 (Vanddamp), CH4 (Methan), NH3 (Ammoniak), CO2 (Carbon dioxide). Hydrogenatomer var mest talrige og mest reaktive i primitiv atmosfære.

Første hydrogenatomer kombineret med alle oxygenatomer for at danne vand og efterlader ingen fri ilt. Således reducerede primitiv atmosfære atmosfæren (uden fri oxygen) i modsætning til den nuværende oxiderende atmosfære (med frit oxygen).

Hydrogenatomer kombineres også med nitrogen, der danner ammoniak (NH3). Så vand og ammoniak var nok de første molekyler af primitiv jord.

3. Formation af enkle organiske molekyler (monomerer):

De tidlige uorganiske molekyler interagerede og producerede enkle organiske molekyler som simple sukkerarter (f.eks. Ribose, deoxyribose, glucose osv.), Nitrogenholdige baser (f.eks. Puriner, pyrimidiner), aminosyrer, glycerol, fedtsyrer osv.

Torrelle regner skal være faldet. Da vandet skyndte sig ned, måtte det være opløst og transporteret salte og mineraler og i sidste ende akkumuleret i form af oceaner. Således indeholdt gamle oceaniske vand store mængder opløst NH3, CH4, HCN, nitrider, carbider, forskellige gasser og elementer.

CH ₄ + CO ₂ + H ₂ 0 -> Sukker + Glycerol + fedtsyrer

CH4 + HCN + NH3 + H20-> Puriner + Pyrimidiner

CH4 + NH3 + C02 + H20-> Aminosyrer

Nogle eksterne kilder skal have virket på blandingen for reaktioner. Disse eksterne kilder kan være (i) solstråler som ultraviolet lys, røntgenstråler mv. (Ii) energi fra elektriske udladninger som lynnedslag, (iii) høje energistråler er andre energikilder (sandsynligvis ustabile isotoper på den primitive jord). Der var ikke noget ozonlag i atmosfæren.

En suppe-lignende bouillon af kemikalier dannet i oceaner fra den tidlige jord, hvorfra levende celler menes at have vist sig, blev betegnet af JB Haldane (1920) som "præbiotisk suppe" (også kaldet "varm fortyndet suppe"). Således blev scenen sat til kombination af forskellige kemiske elementer. Når de organiske molekyler er blevet dannet, akkumuleres de i vand, fordi deres nedbrydning var ekstremt langsom i fravær af nogen livs- eller enzymkatalysatorer.

Eksperimentel Bevis for Abiogen Molekylær Evolution af Livet:

Stanley Miller i 1953, som derefter var en kandidatstuderende fra Harold Urey (1893-1981) ved University of Chicago, viste klart, at ultraviolet stråling eller elektriske udladninger eller varme eller en kombination af disse kan producere komplekse organiske forbindelser fra en blanding af methan, ammoniak, vand (vandstrøm) og hydrogen. Forholdet mellem methan, ammoniak og hydrogen i Miller's eksperiment var 2: 1: 2.

Miller cirkulerede fire gasser-methan, ammoniak, hydrogen og vanddamp i et lufttæt apparat og passerede elektriske udladninger fra elektroder ved 800 ° C. Han passerede blandingen gennem en kondensator.

Han cirkulerede gassen kontinuerligt på denne måde i en uge og analyserede derefter væskens kemiske sammensætning inde i apparatet. Han fandt et stort antal simple organiske forbindelser, herunder nogle aminosyrer, såsom alanin, glycin og asparaginsyre. Miller gennemførte eksperimentet for at teste ideen om, at organiske molekyler kunne syntetiseres i et reducerende miljø.

Andre stoffer, såsom urea, hydrogencyanid, mælkesyre og eddikesyre var også til stede. I et andet forsøg cirkulerede Miller blandingen af gassen på samme måde, men han passerede ikke den elektriske udladning. Han kunne ikke få det betydelige udbytte af de organiske forbindelser.

Senere har mange forskere syntetiseret en lang række organiske forbindelser, herunder puriner, pyrimidin og simple sukkerarter. Det vurderes, at de væsentlige "byggesten" som nukleotider, aminosyrer osv. Af levende organismer kunne have dannet på primitiv jord.

4. Formation af komplekse organiske molekyler (makromolekyler):

En række aminosyrer, fedtsyrer, kulbrinter, puriner og pyrimidinbaser, enkle sukkerarter og andre organiske forbindelser akkumuleret i de gamle have. I den primære atmosfære kunne elektrisk udladning, lyn, solenergi, ATP og polyphosphater have givet energikilden til polymeriseringsreaktioner af organisk syntese.

SW Fox fra University of Miami har vist, at hvis en næsten tør blanding af aminosyrer opvarmes, syntetiseres polypeptidmolekyler. Tilsvarende simple sukkerarter kunne danne polysaccharider, og fedtsyrer kunne kombinere for at producere fedtstoffer. Aminosyrer kunne danne proteiner, når andre faktorer var involveret.

Således kombineres de små enkle organiske molekyler til dannelse af store komplekse organiske molekyler, fx aminosyreenheder, der er forbundet til dannelse af polypeptider og proteiner, enkle sukker enheder kombineret til dannelse af polysaccharider, fedtsyrer og glycerol forenet til dannelse af fedtstoffer, sukkerarter, nitrogenholdige baser og phosphater kombineret til nukleotider, som polymeriseres i nukleinsyrer i de gamle oceaner.

Sukker + Sukker ----> Polysaccharider

Fedtsyrer + glycerol ----> fedtstoffer

Aminosyrer- + Aminosyrer ----> Proteiner

Nitrogenholdige baser + pentose sukkerarter + phosphater ---> nukleotider

Nucleotider + Nukleotider ----> Nukleinsyrer

Hvilket kom først RNA eller Protein?

RNA første hypotese:

I begyndelsen af 1980'erne foreslog tre forskere (Leslia organ, Francis Crick og Carl Woese) uafhængigt RNA World som den første fase i livets udvikling, hvor RNA katalyserede alle molekyler, der var nødvendige for overlevelse og replikation. Thomas Ceck og Sidney Altman delte Nobelprisen i kemi i 1989, fordi de opdagede, at RNA kan være både et substrat og et enzym.

Hvis de første celler anvendte RNA som deres arvelige molekyle, udviklede DNA fra en RNA-skabelon. DNA udviklede sig sandsynligvis ikke som et arveligt molekyle, indtil RNA-baseret liv blev omgivet af membran. Når celler udviklet DNA, erstattede sandsynligvis RNA som den genetiske kode for de fleste organismer.

Proteinens første hypotese:

En række forfattere (for eksempel Sidney Fox, 1978) hævdede, at et proteinkatalytisk system skal have udviklet sig før et nucleinsyre-replikationssystem. Sidney Fox havde vist, at aminosyrer polymeriseret abiotisk, når de blev udsat for tør varme til dannelse af proteinoider.

Cairns-Smiths hypotese:

Det blev foreslået af Graham Caims-Smith, ifølge hvilken både proteiner og RNA stammer fra samme tid.

Dannelse af nukleoproteiner:

De gigantiske nukleoproteinmolekyler blev dannet ved sammenslutningen af nukleinsyre og proteinmolekyler. Disse nukleoproteinpartikler blev beskrevet som fri levende gener. Nukleoproteiner gav sandsynligvis det første tegn på livet.

B. Biologisk Evolution (Biogeni):

Betingelser for livets oprindelse:

For livets oprindelse er der mindst tre forudsætninger.

(a) Der skal have været en forsyning af replikatorer, dvs. selvproducerende molekyler.

(b) Kopiering af disse replikatorer skal have været genstand for fejl ved mutation.

c) Reproduktionssystemet skal have krævet en kontinuerlig forsyning af fri energi og delvis isolation fra det generelle miljø.

Den høje temperatur i tidlig jord ville have opfyldt kravet om mutation.

1. Protobionter eller Protocells:

Disse er mindst to typer temmelig simple laboratorieproducerede strukturer-Oparin's coacervates og Fox's mikrosfærer, som har nogle af de grundlæggende forudsætninger for proto-celler.

Selvom disse strukturer blev skabt kunstigt, peger de på sandsynligheden for, at ikke-biologiske membranhuller (proto-celler) kunne have opretholdt reaktive systemer i mindst korte perioder og førte til forskning i den eksperimentelle produktion af membranbundne vesikler indeholdende molekyler, dvs., proto celler.

(i) Coacervates:

Den første hypotese blev foreslået af Oparin (1920). Ifølge denne hypotese kunne tidlig protocel have været en coacervate. Oparin gav udtrykket coacervates. Disse var ikke-levende strukturer, der førte til dannelsen af de første levende celler, hvorfra de mere komplekse celler i dag har udviklet sig.

Oparin spekulerede på, at en proto-cell bestod af kulhydrater, proteiner, lipider og nukleinsyrer, som akkumulerede til dannelse af en coacervate. En sådan struktur kunne have bestået af en samling af organiske makromolekyler omgivet af en film af vandmolekyler.

Dette arrangement af vandmolekyler, men ikke en membran, kunne have fungeret som en fysisk barriere mellem de organiske molekyler og deres omgivelser. De kunne selektivt indtage materialer fra deres omgivelser og indarbejde dem i deres struktur.

Coacervates er blevet syntetiseret i laboratoriet. De kan selektivt absorbere kemikalier fra det omgivende vand og indarbejde dem i deres struktur. Nogle coacervates indeholder enzymer, der styrer en bestemt type kemisk reaktion.

Fordi de mangler en bestemt membran, hævder ingen at coacervates lever, men de udviser noget liv som tegn. De har en simpel men vedholdende organisation. De kan forblive i opløsning i længere perioder. De har evnen til at stige i størrelse.

ii) mikrosfærer:

En anden hypotese er, at tidlig proto-celle kunne have været en mikrosfære. En mikrosfære er en ikke-levende samling af organiske makromolekyler med dobbeltlags ydre grænse. Udtrykket mikrosfære blev givet af Sydney Fox (1958-1964).

Sidney Fox viste evnen til at opbygge mikrosfærer fra proteinoider. Proteinoider er proteinlignende strukturer, der består af forgrenede kæder af aminosyrer. Proteinoider dannes ved dehydrationssyntese af aminosyrer ved en temperatur på 180 ° C. Fox fra University of Miami viste, at det er muligt at kombinere single aminosyrer i polymerer af proteinoider. Han demonstrerede også evnen til at opbygge mikrosfærer fra disse proteinoider.

Fox observerede små sfæriske cellelignende enheder, der var opstået fra aggregeringer af proteinoider. Disse molekylære aggregater blev kaldt proteinoidmikrosfærer. De første ikke-cellulære former for liv kunne have stammer fra 3 milliarder år tilbage. De ville have været gigantiske molekyler (RNA, Proteiner, Polysaccharider osv.).

Mikrosfærer kan dannes, når proteinoider placeres i kogende vand og langsomt loves at afkøle. Nogle af proteinoidmaterialet producerer en dobbeltgrænsende struktur, som omslutter mikrosfæren. Selvom disse vægge ikke indeholder lipider, udviser de nogle membranlignende egenskaber og foreslår strukturen af en cellulær membran.

Mikrosfærer svulmer eller krymper afhængigt af det osmotiske potentiale i den omgivende opløsning. De viser også en type intern bevægelse (streaming), der ligner den udstillet af celler og indeholder nogle proteinoider, der fungerer som enzymer. Ved anvendelse af ATP som energikilde kan mikrosfærer dirigere dannelsen af polypeptider og nukleinsyrer. De kan absorbere materiale fra det omgivende medium.

De har evnen til bevægelighed, vækst, binær fission i to partikler og reproduktionskapacitet ved udflod og fragmentering. Overfladisk ligner deres spirende med bakterier og svampe.

Ifølge nogle efterforskere kan mikrosfærer betragtes som første levende celler.

2. Oprindelse af prokaryoter:

Prokaryoter opstod fra proto-celler omkring 3, 5 milliarder år siden i havet. Atmosfæren var anaerob, fordi der var fri ilt i atmosfæren. Prokaryoter har ikke nukleær membran, cytoskelet eller komplekse organeller. De opdeles ved binær fission. Nogle af de ældste kendte fossile celler fremstår som dele af stromatolitter. Stromatolitter dannes i dag fra sedimenter og fotosyntetiske prokaryoter (primært filamentøse cynobakterier-blågrønalger).

3. Udvikling af næringsformer:

(i) Heterotrophs:

De tidligste prokaryoter opnåede formodentlig energi ved fermentering af organiske molekyler fra havbunden i oxygenfri atmosfære (reducerende atmosfære). De krævede færdigretter organisk materiale som mad og de var således heterotrofer.

(ii) Autotrofer:

På grund af en hurtig stigning i antallet af heterotrofer begyndte næringsstoffet fra havvand at forsvinde og gradvist opbrugt. Det førte til udviklingen af autotrofer. Disse organismer var i stand til at producere deres egne organiske molekyler ved kemosyntese eller fotosyntese.

(a) Chemoautotrophs:

Dråbe temperatur stoppede syntese af organiske molekyler i havvand. Nogle af de tidlige prokaryoter blev omdannet til kemoautotrofer, der fremstillede økologisk mad ved hjælp af energi frigivet under visse uorganiske kemiske reaktioner. Disse anaerobe kemoautotrofer var som nuværende anaerobe bakterier. De udgav CO ₂ i atmosfæren.

(b) Fotoautotrofer:

Evolution af klorofylmolekylet gjorde det muligt for visse protocells at udnytte lysenergi og syntetisere kulhydrater. Disse var anaerobe fotoautotrofer. De brugte ikke vand som en brintkilde. De lignede dagens svovlbakterier, hvori hydrogensulfid opdeles i hydrogen og svovl. Hydrogen blev anvendt til fremstilling af fødevarer, og svovl blev frigivet som et affaldsprodukt.

Aerobic fotoautotrofer brugte vand som kilde til hydrogen og carbondioxid som kilde til kulstof til at syntetisere kulhydrat i nærværelse af solenergi. De første aerobiske fotoautotrofer var cyanobakterier (blågrønalger) som former, der havde chlorophyll. De udgav ilt i atmosfæren som det ved produkt af fotosyntese. Den vigtigste kilde til genetisk variation var mutation.

Oxygen Revolution:

Efterhånden som antallet af fotoautotrofer steg, blev ilt frigivet i havet og atmosfæren. Fri ilt end omsat med methan og ammoniak til stede i den primitive atmosfære og transformeret methan og ammoniak i kuldioxid og frit kvælstof.

CH4 + 202 -----> CO2 + 2H20

4NH3 + 3O2 ----> 2N2 + 6H20

Det ældste fossil tilhørende blågrønalger, der hedder Archaeospheroides barbertonensis, som er 3, 2 milliarder år gammel. Oxygenfrigivende prokaryoter optrådte først for mindst 2, 5 milliarder år siden.

4. Formation af ozonlag:

Som ilt akkumuleret i atmosfæren ændrede det ultraviolette lys noget ilt til ozon.

2O2 + 02 ----> 2O3

Ozonet dannede et lag i atmosfæren og blokerede det ultraviolette lys og forlod det synlige lys som hovedkilden til energi.

5. Oprindelse af eukaryoter:

Eukaryoterne udviklede sig fra primitive prokaryote celler omkring 1, 5 milliarder år siden. Der er to synspunkter vedrørende oprindelsen af eukaryoter.

(i) Symbiotisk oprindelse:

Ifølge Margulis (1970-1981) fra Boston University, opslukkede nogle anaerobe rovdyrværtsceller primitive aerobe bakterier, men fordøjede dem ikke. Disse aerobe bakterier etablerede sig i værtscellerne som symbionter. Sådanne rovdyrværtsceller blev de første eukaryote celler.

Rovdyrværtscellerne, som opfangede aerobic bakterier udviklede sig til dyreceller, mens de, der fangede både aerobic bakterier og blågrønne alger, blev eukaryote planteceller. De aerobe bakterier etablerede sig som mitokondrier og blågrønalger som kloroplaster.