Moderne syn på kjemisk og biologisk utvikling

Moderne syn på kjemisk og biologisk evolusjon!

Ifølge denne teorien oppsto livet på tidlig jord gjennom fysisk-kjemiske prosesser av atomer som kombinerer for å danne molekyler, og molekyler reagerer igjen for å produsere uorganiske og organiske forbindelser.

Organiske forbindelser interagerer for å produsere alle typer makromolekyler som organiseres for å danne det første levende system eller celler.

I følge denne teorien oppsto således "liv" på vår jord spontant fra ikke-levende materie. Første uorganiske forbindelser og deretter organiske forbindelser ble dannet i samsvar med stadig skiftende miljøforhold. Dette kalles kjemisk utvikling som ikke kan skje under dagens miljøforhold på jorden. Betingelser egnet for livets opprinnelse eksisterte bare på primitiv jord.

Oparin-Haldane-teorien kalles også kjemisk teori eller naturalistisk teori

Moderne syn på livets opprinnelse inkluderer kjemisk evolusjon og biologisk evolusjon:

1. Kjemisk Evolusjon:

(i) Atomfasen:

Tidlige jorda dårlige utallige friatomer av alle disse elementene (f.eks. Hydrogen, oksygen, karbon, nitrogen, svovel, fosfor, etc.) som er essensielle for dannelsen av protoplasma. Atomer ble segregert i tre konsentriske masser i henhold til deres vekt, a) De tyngste atomer av jern, nikkel, kobber, etc. ble funnet i sentrum av jorden, b) Mellomvektatomer av natrium, kalium, silisium, magnesium, aluminium, fosfor, klor, fluor, svovel osv. ble samlet i jordens kjerne, (c) de letteste atomene av nitrogen, hydrogen, oksygen, karbon etc. dannet den primitive atmosfæren.

(ii) Molekylers opprinnelse og enkle uorganiske forbindelser:

Friatomer kombinert for å danne molekyler og enkle uorganiske forbindelser. Hydrogenatomer var mest tallrike og mest reaktive i primitiv atmosfære. Første hydrogenatomer kombinert med alle oksygenatomer for å danne vann og gir ingen fri oksygen. Dermed var primitiv atmosfære redusert atmosfære (uten fri oksygen) i motsetning til den nåværende oksiderende atmosfære (med fri oksygen). Vannatomer kombineres også med nitrogen, danner ammoniakk (NH3). Så vann og ammoniakk var trolig de første sammensatte molekylene av primitiv jord.

(iii) Opprinnelsen til enkle organiske forbindelser (monomerer):

Den primitive atmosfæren inneholdt gasser som CO ₂, CO, N, H ₂ osv. Kvaliteten av nitrogen og karbon i kombinasjon med metallatomer, dannende nitrider og karbider. Vanndamp og metallkarbider reagerte for å danne den første organiske forbindelsen, metan (CH4). Senere ble hydrogencyanid (HCN) dannet.

Torrelle regner må ha falt:

Som vannet rushed ned, må det ha oppløst seg og båret med det salter og mineraler, og til slutt akkumulert i form av hav. Således inneholdt gammelt havvann store mengder oppløst NH3, CH4, HCN, nitrider, karbider, forskjellige gasser og elementer.

De tidlige forbindelsene samhandlet og produserte enkle organiske forbindelser som enkle sukkerarter (f.eks. Ribose, deoksyribose, glukose osv.), Nitrogenholdige baser (f.eks. Puriner, pyrimidiner), aminosyrer, glyserol, fettsyrer, etc. Noen eksterne kilder må har handlet på blandingen for reaksjoner. Disse eksterne kildene kan være (i) solstråler som ultraviolett lys, røntgenstråler, etc., (ii) energi fra elektriske utladninger som lyn, (iii) høye energistrålinger er andre energikilder (trolig ustabile isotoper på den primitive jorden). Det var ikke noe ozonlag i atmosfæren.

Havets vann rik på blanding av organiske forbindelser ble betegnet av JBS Haldane (1920) som "varm fortynnet suppe av organiske stoffer". Den 'varme fortynnede suppen' kalles også prebiotisk suppe '. Dermed ble scenen satt for kombinasjon av ulike kjemiske elementer. Når de organiske molekylene ble dannet, akkumulerte de i vann fordi deres nedbrytning var ekstremt langsom i fravær av noen livs- eller enzymkatalysatorer.

Eksperimentelle bevis for abiogen molekylær evolusjon av livet:

Stanley Miller i 1953 viste klart at ultraviolett stråling eller elektriske utladninger eller varme eller en kombinasjon av disse kan produsere komplekse organiske forbindelser fra en blanding av metan, ammoniakk, vann (vannstrøm) og hydrogen.

Miller sirkulerte fire gasser-metan, ammoniakk, hydrogen og vanndamp i et lufttett apparat og førte elektriske utladninger fra elektroder ved 800 ° C. Han passerte blandingen gjennom en kondensator. Han sirkulerte gassene kontinuerlig på denne måten i en uke og analyserte deretter væskens kjemiske sammensetning inne i apparatet. Han fant et stort antall enkle organiske forbindelser, inkludert noen aminosyrer som alanin, glycin og asparaginsyre. Miller viste at organiske forbindelser var basis for livet.

Andre stoffer, som urea, hydrogencyanid, melkesyre og eddiksyre var også tilstede. I et annet eksperiment sirkulerte Miller blandingen av gassene på samme måte, men han passerte ikke den elektriske utladningen. Han kunne ikke få det betydelige utbyttet av de organiske forbindelsene. Senere har mange etterforskere syntetisert et stort utvalg av organiske forbindelser, inkludert puriner, pyrimidiner og enkle sukkerarter, etc. Det antas at de essensielle "byggeblokkene" som nukleotider, aminosyrer, etc. av levende organismer kunne ha dannet seg på primitiv jord.

(iv) Opprinnelse av komplekse organiske forbindelser (polymerer):

En rekke aminosyrer, fettsyrer, hydrokarboner, puriner og pyrimidin baser, enkle sukkerarter og andre organiske forbindelser akkumulert i de gamle havene. I den primære atmosfæren kunne elektrisk utladning, lyn, solenergi, ATP og polyfosfater ha gitt energikilden til polymerisasjonsreaksjoner av organisk syntese. SW Fox demonstrerte at hvis en nesten tørr blanding av aminosyrer oppvarmes, syntetiseres polypeptidmolekyler.

Tilsvarende enkle sukkerarter kan danne polysakkarider og fettsyrer kan kombinere for å produsere fett. Aminosyrer kan danne proteiner når andre faktorer var involvert. Således kombineres de små enkle organiske molekylene for å danne store komplekse organiske molekyler, f.eks. Aminosyre-enheter som er sammenføyt til å danne polypeptider og proteiner, enkle sukker enheter kombinert for å danne polysakkarider, fettsyrer og glyserol forenet til å danne fett, sukkerarter, nitrogenholdige baser og fosfater kombinert til nukleotider som polymeriseres i nukleinsyrer i de gamle havene.

2. Biologisk Evolusjon:

For livets opprinnelse er det minst tre forhold som trengs:

(a) Det må ha vært en forsyning av replikatorer, dvs. selvproducerende molekyler.

(b) Kopiering av disse replikatorene må ha vært utsatt for feil ved mutasjon.

(c) Reproduktorsystemet må ha krevd en kontinuerlig tilførsel av fri energi og delvis isolasjon fra det generelle miljøet.

Den høye temperaturen i tidlig jord ville ha oppfylt kravet om mutasjon.

Opprinnelse av prebiotiske molekyler:

Den tredje tilstanden, delvis isolasjon, er oppnådd innenfor aggregater av kunstig dannede prebiotiske molekyler. Disse aggregatene kalles protobionter som kan skille kombinasjoner av molekyler fra omgivelsene. De opprettholder et internt miljø, men er ikke i stand til å reprodusere. To viktige protobionter er coacervates og mikrosfærer.

Coacervates:

Oparin (1924) observerte at hvis en blanding av et stort protein og et polysakkarid blir rystet, dannes koakervater. Coacervates inneholder hovedsakelig proteiner, polysakkarider og litt vann. Oparin's coacervates viser også en enkel form for metabolisme. Ettersom disse coacervates ikke har lipid ytre membraner, kan de derfor ikke reproducere. Dermed oppfyller de ikke kravet om sannsynlige forløpere av livet.

sfærer:

Når blandinger av kunstig produsert organiske forbindelser blandes med kaldt vann dannes mikrosfærer. Hvis blandingen inneholder lipider, består overflaten av mikrosfærene av et lipid-dobbeltlag, som minner om (husker ting fra fortiden) til lipid-dobbeltlaget av cellemembraner. Sydney Fox (1950) oppvarmet en blanding av 18 ammo syrer til temperaturer på 130 til 180 ° C. Han oppnådde stabile proteiner som makromolekyler, som han kalte protenoider.

Når protenoidmaterialet ble avkjølt og undersøkt under mikroskop, observert Fox små sfæriske cellelignende enheter som hadde oppstått av aggregeringer av protenoider. Disse molekylære aggregatene ble kalt protenoid mikiospheier. De første ikke-cellulære livsformer kunne ha oppstått 3 milliarder år tilbake. De ville ha vært gigantiske molekyler (RNA, Proteiner og Polysakkarider etc.).

Fysiske egenskaper til protenoid mikrosfærer:

De var sfæriske mikroskopiske med ca. 1 til 2 (i diameter, lik størrelsen og formen av coccoid bakterier.

Strukturelle egenskaper til protenoid mikrosfærer:

Under elektronmikroskop er det observert konsentriske, dobbeltlagde grenser rundt dem, hvorved diffusjon av materiale oppstår. De har evnen til motilitet, vekst, binær fisjon i to partikler og en reproduksjonsevne ved spirende og fragmentering. Overfladisk, deres spirende ligner på bakterier og sopp.

Enzymlignende aktiviteter av protenoide mikrosfærer:

De har blitt funnet å ha katalytisk aktivitet, som for eksempel nedbrytning av glukose. Denne enzymatiske aktiviteten til protenoidmikrosfærer blir delvis tapt under oppvarming.

Den største ulempen i protenoid mikrosfærene er at de har begrenset mangfold. Dermed forblir mekanismen for delvis isolasjon som fører til opprinnelsen til protobioner fortsatt uløst.

Siden både protein og nukleinsyrer (sammen med andre enklere stoffer) kreves for å utvikle og reprodusere organismer som lever i dag, er et åpenbart spørsmål hvilke av disse stoffene oppstod først? Det er ikke noe klart svar.

RNA første modell:

I de senere år er bevis for at RNA skal være materiale av først dannet gen (Woese, 1967, Crick 1968, Orgel 1973, 1986 Watson et al 1986, Darnell et al 1986). Dermed kan RNA vært den første polymeren, og noen form for revers transkripsjon kan ha gitt opphav til DNA og RBA og DNA begynte å kontrollere proteinsyntese.

Hvorfor RNA og ikke DNA var det første levende molekylet?

Enzymatiske aktiviteter av RNA-molekyler blir stadig oppdaget, men ingen enzymatisk aktivitet har noensinne blitt tilskrevet DNA. Videre syntetiseres ribose lettere enn deoksyribose under stimulerte prebiotiske forhold. Et selektivt fordelaktig RNA-molekyl ville være en som styrer syntesen av protein som akselererer replikasjonen av bestemt RNA (dvs. RNA-polymerase).

RNAer kunne ha katalysert dannelsen av lipidlignende molekyler som kunne ha dannet plasmamembran og proteiner. Proteinene kan ha tatt over de fleste enzymatiske funksjoner fordi de er bedre katalysatorer enn RNA. Hvis de første cellene brukte RNA som deres arvelige molekyl, utviklet DNA seg fra en RNA-mal. Når celler utviklet seg, erstattet DNA sannsynligvis RNA i de fleste organismer.

Dannelse av de tidligste cellene:

(i) De første levende organismer oppsto blant organiske molekyler og i oksygenfri atmosfære (reduserende atmosfære). De oppnådde formodentlig energi ved gjæring av noen av disse organiske molekylene. De var anaerober, i stand til åndedrett i fravær av oksygen. De var avhengige av eksisterende organiske molekyler for ernæring og dermed var de heterotrofer.

(ii) Når tilførselen av eksisterende organiske molekyler var utmattet, kunne noen av heterotrophene ha utviklet sig til autotrofer. Disse organismer var i stand til å produsere sine egne organiske molekyler ved kjemosyntese eller fotosyntese.

(a) Kjemosyntese:

De organismer som utfører kjemosyntese kalles kjemoautotrophs. De var anaerobe. Chemoautotrophs utviklet evnen til å syntetisere organiske molekyler fra uorganiske råmaterialer. En slik næringsmodus er til stede selv nå i enkelte bakterier, f.eks. Svovelbakterier, jernbakterier, nitrifiserende bakterier.

(b) Fotosyntese:

Fotosyntetiske organismer, fotoautotrophene, utviklet pigmentet klorofyll ved kombinasjon av enkle kjemikalier. De forberedte økologisk mat ved å bruke solenergi fanget ved hjelp av klorofyll. De manglet de biokjemiske veiene for å produsere oksygen. De var fortsatt anaerobe og benyttet hydrogen fra andre kilder enn vann.

På senere tidspunkt utviklet oksygenfrigjørende fotosyntetiske organismer. Disse var lik de eksisterende blågrønne alger (cyanobakterier). De brukte vann for å få hydrogen og frigjort oksygen. Tilsetning av O ₂ til atmosfæren begynte å oksidere metan og ammoniakk, som begynte å forsvinne.

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H20

4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H20

Livet var til stede på jorden for 3, 9 milliarder år siden. Imidlertid er de eldste mikrofossilene som hittil oppdaget, det for fotosyntetiske cyanobakterier som dukket opp 3, 3-3, 5 milliarder år siden.

Dannelse av ozonlag:

Som oksygen akkumulert i atmosfæren, forandret det ultrafiolette lyset noen tifoxygen til ozon.

2O2 + 02 → 2O3

Ozonet dannet et lag i atmosfæren, blokkerer ultrafiolett lys og forlater det synlige lyset som hovedkilden til energi.

Opprinnelse av eukaryote celler (ekte nukleære celler):

Aerob respirasjon utviklet tilstrekkelig oksygen i den primitive atmosfæren. Prokaryotene ble gradvis modifisert for å tilpasse seg i henhold til nye forhold. De utviklet en ekte kjernen og andre spesialiserte celleorganeller. Dermed oppstod fritt levende eukaryotiske cellelignende organismer i Ancierit Ocean, antagelig om lag 1, 5 milliarder år siden. Primitive eukaryoter førte til utviklingen av protister, planter, sopp og dyr.

Oppsummering av hovedtrinnene i livets opprinnelse i henhold til moderne livsorienteringsteori.