Gyvybės kilmė: cheminė evoliucija, primityviojo gyvenimo formavimas ir evoliucija

Gyvenimo kilmė :: A. Chemogeny (Cheminė evoliucija) B. Biogeny (Primityviojo gyvenimo formavimas) C. Cognogeny (Primityviojo gyvenimo pobūdis ir jo evoliucija).

Šiuolaikinę gyvenimo teorijos teoriją pasiūlė Rusijos biochemikas, Aleksandras I. Oparinas (1923 m.) Ir jį palaikė britų mokslininkas JBS Haldane (1928 m. AD), taip pat vadinamas Oparin-Haldanės teorija.

Ji pareiškė, kad primityvus gyvenimas iš primityvios žemės vandens telkinių kilo iš negyvų organinių molekulių (pvz., RNR baltymų ir kt.) Cheminės evoliucijos būdu per keletą cheminių reakcijų, maždaug prieš 4 mlrd. ty apie 500 milijonų metų po žemės formavimo). Tai labiausiai patenkinama teorija, nes ji turi mokslinį paaiškinimą ir buvo išbandyta eksperimentiškai. Oparino teorija taip pat žinoma kaip pirminė abiogenezė.

Įvairūs šiuolaikinės teorijos žingsniai:

A. Chemogeny (cheminė evoliucija):

a) Primityviosios žemės sąlygos, prieš maždaug 4 milijardus metų, buvo tokios, kurios buvo palankios cheminei evoliucijai. Kai žemės paviršiaus temperatūra buvo mažesnė nei 100 ° C. Jos atmosferoje buvo azoto amorua (-NH3) forma, anglis metano pavidalu (-CH4) ir deguonis vandens garų pavidalu (H20), tačiau nebuvo laisvojo deguonies, todėl primityvioji atmosfera buvo „Mažinimas“. Šie junginiai buvo vadinami protoplazminiais junginiais.

b) Kai žemė atvėsta, ji sukūrė kietą plutą, kuris vėliau suformavo įdubimus ir pakilimus. Tuo tarpu atmosferos vandens garai kondensavosi ir pagaliau atėjo į paviršių kaip lietus. Vanduo, surenkamas į depresijas, ištirpino mineralus, tokius kaip chloridas ir fosfatai, ir pagaliau suformavo didelius vandens telkinius, vadinamus vandenynais.

c) Paprastų organinių junginių susidarymas: \ t

Kadangi žemės paviršius atšaldomas iki 50-60 ° C, vandens telkiniuose esančios molekulės ir mineralai sujungiami ir rekombinuojami įvairiais būdais kondensacijos, polimerizacijos ir oksidų redukcijos procesuose, sudarant paprastus organinius junginius, tokius kaip alkoholiai, aldehidai, glicerolis, riebalų rūgštys, purinai, pirimidinai, paprastieji cukrūs (pvz., ribozė, deoksiribozė, gliukozė ir kt.) ir aminorūgštys.

Šie organiniai junginiai susikaupė vandens telkiniuose, nes jų skaidymas buvo labai lėtas, nesant jokių vartotojų ar fermentų katalizatorių ar deguonies. Toks transformavimas nėra įmanomas dabartinėje oksiduojančioje atmosferoje, nes deguonis ar mikro vartotojai suskaido ar sunaikins gyvas daleles, kurios gali atsirasti dėl tikimybės.

Šių fotocheminių reakcijų energiją davė vienas iš šių veiksnių:

i) ugnikalnių išsiveržimai (intensyvus sausas žemės karštis), \ t

ii) Saulės spinduliai (UV spinduliai),

iii) žaibo metu pagaminta elektros energija ir. \ t

iv) Radioaktyviųjų elementų skilimas.

Haldane pasiūlė, kad šie paprastieji organiniai junginiai laipsniškai susikauptų šiuose vandens telkiniuose ir pagaliau suformuotų „karštą ploną sriubą“ arba „priešbiotinę sriubą“ arba sultinį. Tai nustatė įvairių cheminių reakcijų etapą.

d) Sudėtingų organinių junginių susidarymas: \ t

Paprastiems organiniams junginiams būdingos cheminės reakcijos ir polimerizacija, kad galiausiai susidarytų sudėtingi organiniai junginiai, tokie kaip polisacharidai, riebalai, nukleotidai, nukleino rūgštys, polipeptidai ir kt.

Pagrindiniai cheminių reakcijų ir polimerų susidarymo energijos šaltiniai buvo elektros iškrovos, žaibo, saulės energijos, ATP ir pirofosfatai. Vandens garavimas sukėlė monomerų koncentraciją ir palankią polimerizaciją.

Šie polimerai buvo stabilesni, todėl dominuoja vandens telkiniuose. Didelė polimerų koncentracija pakeitė cheminę pusiausvyrą prie stabilių polimerų susidarymo iš nestabilių monomerų.

e) Protobionų formavimasis:

Dėl gyvenimo pradžios turi būti įvykdytos trys sąlygos:

(i) Turi būti nuolatinis savarankiškai gaminančių molekulių, vadinamų replikatoriais, tiekimas.

(ii) Šių replikatorių kopijavimas turėjo būti pakeistas.

iii) Replikatorių sistema turi reikalauti nuolatinio laisvos energijos tiekimo ir dalinio izoliavimo nuo bendros aplinkos.

Pagrindinis veiksnys, lemiantis replikatorių mutacijas (prebiotinės molekulės), tikriausiai buvo aukšto temperatūros sukeltas terminis judėjimas, o dalinis izoliavimas buvo pasiektas jų agregatuose. Oparinas ir Sidnėjus Foxas pasiūlė, kad sudėtingieji organiniai junginiai, sintezuoti primityvioje žemėje, vėliau buvo linkę kauptis ir suformuoti didelius koloidinius panašius agregatus, vadinamus protobionais.

Tokie pirmieji nešūniniai gyvenimo būdai greičiausiai atsirado 3 mlrd. Tai turėtų milžiniškas molekules, turinčias RNR, baltymų, polisacharidų ir kt. Šie agregatai gali atskirti molekulių derinius iš aplinkos ir išlaikyti vidinę aplinką.

Tačiau jų pagrindinis trūkumas buvo tas, kad jie negalėjo atgaminti. Šiuos mikroskopinius, sferinius, stabilius ir judančius agregatus Oparino ir Sidnėjaus lapės mikrosferos pavadino koacervatais (L. acervus = krūva - 7.4 pav.).

Kadangi šie koacervatai neturi lipidų išorinės membranos ir negali daugintis, jie neatitinka tikėtino gyvenimo pirmtakų kandidato reikalavimų. Mikrosferos tapo sėkmingos ir padaugėjo, nes jos turėjo augimo ir padalijimo galią (budingumas, susiskaldymas ir dvejetainis dalijimasis 7.5 pav.).

B. Biogeny (Primityviojo gyvenimo formavimas):

Kadangi ląstelių fiziologija yra fermentinio aktyvumo rezultatas, fermentai turi būti sukurti prieš ląsteles. Laipsniškai geno agregatai apsupo kompleksinės fermentų sistemos, kurios sudarė citoplazmą. Šie fermentai galėjo susieti azoto bazes, paprastus cukrus ir fosfatus į nukleotidus.

Nukleotidai galėjo būti sujungti, kad susidarytų nukleino rūgštis, kuri, atrodo, yra biomolekulės, atitinkančios replikatorių tiekimo gyvybei sąlygą.

Šiuo metu molekulinė biologija veikia pagal centrinės dogmos principą, kuriame teigiama, kad genetinės informacijos srautas yra vienakryptis ir parodomas taip:

DNR (transkripcija) → RNR (vertimas) → Baltymas

(Su genetine informacija) (su genetiniu pranešimu)

Šis mechanizmas greičiausiai išsivystė iš daug paprastesnio mechanizmo.

Nukleino rūgštis ir baltymai (fermentai) yra dvi tarpusavyje susijusios biomolekulės. Baltymai sintezuojami procesu, kuris prasideda transkripcijos informacija iš DNR į mRNR, po to transliacija ribosomose, o nukleino rūgštys priklauso nuo baltymų fermentų jų replikacijai.

Taigi baltymai ir nukleino rūgštys sudaro du pagrindinius cheminius junginius. Proteinoidų teorija teigia, kad pirmiausia išsivystė baltymų molekulės, o neapibrėžtos geno hipotezė nurodo, kad nukleino rūgštis pirmiausia atsirado ir kontroliuoja baltymų susidarymą.

77 ribonukleotidų RNR molekulės sintezė HG Khoranoje (1970) sukėlė spekuliaciją, kad tikriausiai RNR, o ne DNR, buvo pirminė genetinė medžiaga. Šį požiūrį dar labiau patvirtino tam tikrų Ribozimų (RNR molekulių, turinčių fermentinių savybių) atradimas.

Taigi naujausias požiūris yra tas, kad pirmosios ląstelės RNR naudojo kaip paveldimą medžiagą, o vėliau DNR išsivystė iš RNR šablono tik tada, kai RNR gyvenimas buvo uždarytas membranose. Galiausiai DNR pakeitė RNR kaip genetinę medžiagą daugumai organizmų. Kai kurios galimybės susieti baltymus, purinus, pirimidinus ir kitus organinius junginius galėjo sukelti sistemą, kuri galėtų daugintis.

Aplink citoplazmą buvo sukurta plona ribinė membrana, sulankstanti fosfolipidų vienagumbį, kad susidarytų ląstelių membrana. Todėl įmanoma, kad pirmosios ląstelės atsirado taip pat, kaip pradiniai vandens telkiniai. Pirmosios „ląstelės“ struktūros, turinčios padalijimo galią, buvo vadinamos „eobiontais“ arba „prieškūniais“. Tokios pirmosios ląstelių formos atsirado maždaug prieš 2 000 milijonų metų.

Tai galbūt buvo panaši į Mycoplasma, dėl kurios atsirado moneranų (ląstelių be gerai apibrėžto branduolio) ir protistanų (ląstelių su skirtingais branduoliais). Monera buvo prokariotai, pavyzdžiui, bakterijos ir cianobakterijos. Protista sukėlė Eukariotų, kurie išsivystė į Protozojus, Metazoa ir Metaphyta. Šis ankstyvasis vienaląsčio archaebakterijų, eubakterijų ir eukariotų protėvis buvo vadinamas progenotu.

Abiogeninės molekulinės evoliucijos eksperimentinis įrodymas:

1953 m. AD, Stanley L. Miller (7.8 pav.) (Biochemikas) ir Haroldas C. Urey (astronomas) eksperimentiškai įrodė paprastų organinių junginių susidarymą iš paprastesnių junginių redukcijos sąlygomis (7.9 pav.).

Tai vadinama modeliavimo eksperimentu. Buvo siekiama įvertinti Oparino ir Haldanės teiginių apie organinių molekulių kilmę senovės žemėje būklę. Jie veikė metano-amoniako-vandenilio ir vandens mišinį (imituojantys pirmykštę atmosferą) maždaug vieną savaitę per elektrinę kibirkštį (apie 75 000 voltų, kuris imitavo primityvios žemės apšvietimą ir sudarė apie 800 ° C temperatūrą) tarp dviejų volframo elektrodų. dujų kamerą (vadinamą kibirkštinio išlydžio aparatūra), esantį mažinimo sąlygose.

Metano, amoniako ir vandenilio santykis buvo 2: 2: 1. Karštus produktus jie pernešė per kondensatorių (kondensacijai ir vandeninio galutinio produkto surinkimui).

Panašus į Haldanės sriubą).

Kontrolinis eksperimentas apėmė visus reikalavimus, išskyrus energijos šaltinį. Po aštuoniolikos dienų cheminiai junginiai chemiškai analizuojami chromatografiniais ir kolorimetriniais metodais. Jie rado daug amino rūgščių (glicino, alanino, asparto rūgšties, glutamo rūgšties ir pan.), Peptidų, purinų, pirimidinų ir organinių rūgščių.

Šie purinai ir pirimidinai veikė kaip nukleorūgščių pirmtakai. Šios amino rūgštys yra būtinos baltymų susidarymui. Nustatyta, kad tarpiniai produktai yra aldehidai ir HCN. Kontroliniame eksperimente pastebėta nedidelė dalis organinių molekulių.

Meteorito kiekio analizė taip pat atskleidė panašius junginius, rodančius, kad panašūs procesai vyksta kitur erdvėje.

Kompleksinių organinių junginių formavimo eksperimentinis įrodymas:

Sidnėjus W. Foxas (1957 m. AD) pranešė, kad kai 18-20 aminorūgščių mišinys kaitinamas iki virimo temperatūros (160–210 ° C keletą valandų) ir po to atvėsinamas vandenyje, daugelis aminorūgščių polimerizuotos ir susidaro polipeptidinės grandinės, vadinamas proteinoidais.

„Fox“ teigė, kad šie proteinoidai su vandeniu sudarė koloidinius agregatus, vadinamus koacervatais arba mikrosferomis (7.10 pav.). Tai buvo apie 1-2 µm skersmens, panašus į formų ir dydžių kokosų bakterijas.

Tai gali būti paskatinta paviršutiniškai priminti bakterijų ir grybų (mielių) virškinimą. Jis taip pat pranešė apie porfirinų, nukleotidų ir ATP susidarymą iš neorganinių junginių ir HCN.

Kompleksinių agregatų sudarymas:

Oparinas pranešė, kad jei susimaišys didelio baltymo ir polisacharido mišinys, susidaro koacervatai. Šių koacervatų šerdis daugiausia susidarė iš baltymų, polisacharido ir šiek tiek vandens ir iš dalies buvo išskirta iš aplinkinio vandeninio tirpalo, turinčio mažesnį baltymų ir polisacharidų kiekį. Tačiau šie koacervatai neturi išorinės lipidų membranos ir negalėjo atgaminti.

C. Cognogeny (Primityviojo gyvenimo pobūdis ir jo evoliucija):

Natūrali sekcija veikė net gyvenimo pradžioje. Tęsiant sėkmingesnių eobiontų atranką kartu su membranos sistemos tobulinimu, tikriausiai atsirado pirmoji ląstelė.

Anksčiausios ląstelės buvo anaerobinės (gautos energijos fermentuojant kai kurias organines molekules, nesant buvo deguonies), prokariotinės (su nukleoidais kaip bakterijose) ir chemoheterotrofinės (išvestos gatavų maisto produktų iš esamų organinių molekulių).

Jie pradėjo gaminti maistinius organinius junginius iš primityvių jūrų kaip jų blokus ir energijos šaltinius. Taigi šios ląstelės išaugo iki milžiniško dydžio. Siekiant apriboti jų dydį, chemoheterotrofai pradėjo ląstelių mitozę ir taip padidino jų skaičių.

Norint susidoroti su mažėjančiu organinių junginių tiekimu, kai kurie iš šių chemoheterotrofų išsivystė į anaerobinius, prokariotinius ir chemoautotrofus. Jie pradėjo sintezuoti savo organinį maistą iš neorganinių junginių cheminės energijos (taip pat ir neorganinių junginių skilimo) ir fermentų, pvz., Sulfato redukuojančių bakterijų, nitrifikuojančių bakterijų, geležies bakterijų ir kt., Pagrindu. būti mutacijomis.

Atsižvelgiant į didėjantį neorganinių junginių trūkumo problemą, kai kurie chemoautotrofai sukūrė porfirinus ir bakteriochlorofilą (žalias fotosintezės pigmentas) ir pradėjo fotosintezę (angliavandenių sintezė). Tai lėmė anaerobinių, prokariotinių ir fotoautotrofų evoliuciją. Tai išsivystė maždaug prieš 3500–3800 milijonų metų.

Pirmieji fotoautotrofai buvo anoksigeniniai, nes jie fotosintezės metu neišnaudojo vandens kaip žaliavos. Vėliau šie sukurti chlorofilai ir pradėjo naudoti vandenį kaip reagentą, todėl O ₂ išsivystė fotosintezės procese. Pirmieji deguoniniai ir aerobiniai fotoautotrofai buvo cianobakterijos, kurios, kaip manoma, vystosi maždaug 3 300 - 3500 milijonų metų.

Panašiai JW Schopfas (1967 m.) Pranešė apie 22 aminorūgščių buvimą 3000 milijonų senų uolų, o seniausia mikro-fosilija priklauso mėlynai žalioms dumbliams, ty Archaespheroids barbertonensis, maždaug prieš 3, 3–3, 5 milijardus metų.

Ilgą laiką dominuojančios ir galbūt vienintelės gyvenimo formos žemėje buvo bakterijos, pelėsiai ir cianobakterijos. Palaipsniui mėlynai žalios dumbliai išsivystė į kitas dumblių formas. Apskaičiuota, kad eukariotai sukūrė maždaug 1600 milijonų metų.

Pirmieji eukariotai išsivystė per mutaciją prokariotuose (Raff ir Mahler, 1972) arba simbiotinę skirtingų prokariotų asociaciją (Marguilis, 1970). Vėliau buvo sukurta daug rūšių dumblių, grybų, pirmuonių ir kitų gyvų organizmų.