Livets opprinnelse: Kjemisk evolusjon, dannelse av primitivt liv og evolusjon

Livets opprinnelse :: A. Chemogeny (kjemisk evolusjon) B. Biogeni (dannelse av primitive liv) C. Kognogeni (Det primitive livets natur og dens evolusjon).

Moderne teori om livets opprinnelse ble foreslått av en russisk biokjemi, Alexander I. Oparin (1923 AD), og ble støttet av en britisk forsker, JBS Haldane (1928 e.Kr.), så kalles også Oparin-Haldane-teorien.

Det erklærte at det primitive livet stammer fra vannkroppene på den primitive jorden fra ikke-levende organiske molekyler (f.eks. RNA-proteiner, etc.) ved kjemisk evolusjon gjennom en rekke kjemiske reaksjoner omkring 4 milliarder år siden (i pronomambisk perioden) ( dvs. ca. 500 millioner år etter jordens dannelse). Det er mest tilfredsstillende teori fordi den har en vitenskapelig forklaring og har blitt testet eksperimentelt. Oparin teori er også kjent som primær abiogenese.

Ulike trinn med moderne teori er:

A. Chemogeny (kjemisk evolusjon):

(a) Forholdene på den primitive jorden, ca 4 milliarder år siden, var slike som favoriserte den kjemiske utviklingen. Når overflatetemperaturen på jorden var mindre enn 100 ° C. Dens atmosfære hadde nitrogen i form av ammorua (-NH ₃ ), karbon i form av metan (-CH ₄ ) og oksygen i form av vanndamp (H ₂ O), men det var ingen fri oksygen, så den primitive atmosfæren var “redusere”. Disse forbindelsene ble kalt protoplasmiske forbindelser.

(b) Etter hvert som jorden ble avkjølt, utviklet den en solid skorpe som senere dannet nedtrykk og forhøyninger. I mellomtiden kom de atmosfæriske vanndampene kondensert og til slutt til overflaten som regn. Vann oppsamlet i depresjoner, oppløst mineraler som klorid og fosfater og til slutt dannet store vannkropper kalt hav.

(c) Formasjon av enkle organiske forbindelser:

Da jordoverflaten ble avkjølt til 50-60 ° C, ble molekyler og mineraler tilstede i vannlegemer kombinert og rekombinert på forskjellige måter gjennom prosessene kondensering, polymerisering og oksidoreduksjon for å danne enkle organiske forbindelser som alkoholer, aldehyder, glyserol, fettsyrer, puriner, pyrimidiner, enkle sukkerarter (f.eks. ribose, deoksyribose, glukose, etc.) og aminosyrer.

Disse organiske forbindelser akkumulert i vannkroppene fordi deres nedbrytning var svært langsom i fravær av noen forbruker- eller enzymkatalysatorer eller fravær av oksygen. En slik transformasjon er ikke mulig i den nåværende oksidasjons-atmosfæren fordi oksygen eller mikroforbrukere vil dekomponere eller ødelegge de levende partikler som kan oppstå ved en tilfeldighet.

Energien for disse fotokjemiske reaksjonene ble gitt av en av følgende faktorer:

(i) Vulkanutbrudd (intens tørrvarme av jorden),

(ii) solstråler (UV-stråler),

(iii) Elektrisk energi produsert under lynet, og

(iv) Forfall av radioaktive elementer.

Haldane foreslo at disse enkle organiske forbindelser gradvis akkumuleres i disse vannkroppene og til slutt ble det dannet en "varm tynn suppe" eller "pre-biotisk suppe" eller buljong. Dette satte scenen for ulike kjemiske reaksjoner.

(d) Dannelse av komplekse organiske forbindelser:

Enkle organiske forbindelser viste mulige kjemiske reaksjoner og polymerisering for endelig å danne komplekse organiske forbindelser som polysakkarider, fett, nukleotider, nukleinsyrer, polypeptider etc.

Hoved energikilder for kjemiske reaksjoner og dannelse av polymerer var: elektrisk utladning, lyn, solenergi, ATP og pyrofosfater. Fordampning av vann førte til konsentrasjon av monomerer og favorisert polymerisering.

Disse polymerene var mer stabile, slik at disse dominert i vannet. Høy konsentrasjon av polymerer skiftet kjemisk likevekt mot dannelsen av stabile polymerer fra ustabile monomerer.

(e) Formasjon av protobionter:

For livets opprinnelse må følgende tre betingelser være oppfylt:

(i) Det må være kontinuerlig tilførsel av selv-produserende molekyler, kalt replikatorer.

(ii) Kopiering av disse replikatorene må ha vært underlagt mutasjon (endring).

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

Hovedfaktoren som er ansvarlig for mutasjoner i replikatorene (prebiotiske molekyler) var sannsynligvis termiske bevegelser indusert av høy temperatur mens partiell isolasjon har blitt oppnådd innenfor deres aggregater. Oparin og Sydney Fox foreslo at komplekse organiske forbindelser syntetisert abiogenetisk på den primitive jorden senere tendens til å akkumulere og dannet store kolloidale cellelignende aggregater kalt protobionter.

Slike første ikke-cellulære livsformer oppsto trolig 3 milliarder år tilbake. Disse vil ha gigantiske molekyler som inneholder RNA, protein, polysakkarider etc. Disse aggregatene kan skille kombinasjoner av molekyler fra omgivelsene og kan opprettholde et indre miljø.

Men deres største ulempe var at de ikke klarte å reprodusere. Disse mikroskopiske, sfæriske, stabile og motile aggregatene ble kalt coacervates (L. acervus = haug - figur 7.4) av Oparin og mikrosfærer av Sydney Fox.

Ettersom disse coacervates ikke har lipid ytre membran og ikke kan reproducere, mislykkes de i å oppfylle kravene som en kandidat av sannsynlige forløpere av livet. Mikrosfærer ble vellykket og multiplisert som disse hadde kraften til vekst og deling (spirende, fragmentering og binær fisjon-figur 7.5).

B. Biogeni (dannelse av primitive liv):

Siden cellular fysiologi er utfallet av enzymatisk aktivitet, må enzymene ha utviklet seg før cellene. Gradvis ble genaggregatene omgitt av et komplekst system av enzymer som dannet cytoplasma. Disse enzymene kunne ha kombinert nitrogenbasisene, enkle sukkerarter og fosfater i nukleotidene.

Nukleotider kan ha kombinert for å danne nukleinsyre som synes å være biomolekylene som oppfyller betingelsen for tilførsel av replikatorer i livets opprinnelse.

For tiden opererer molekylærbiologien på prinsippet om sentral dogma som sier at strømmen av genetiske opplysninger er ensrettet og er vist som følger:

DNA (Transkripsjon) → RNA (oversettelse) → Protein

(Med genetisk informasjon er) (Med genetisk melding)

Denne mekanismen utviklet seg sannsynligvis fra en mye enklere mekanisme.

Nukleinsyre og proteiner (enzymer) er to sammenhengende biomolekyler. Proteiner syntetiseres ved en prosess som begynner med transkripsjon av opplysninger fra DNA til mRNA etterfulgt av oversettelse på ribosomer, mens nukleinsyrer er avhengige av de proteiniske enzymer for deres replikasjon.

Således danner proteiner og nukleinsyrer to primære kjemiske forbindelser av livet. Proteinoid teorien fastslår at proteinmolekyler utviklet seg først, mens naken-gen-hypotesen sier at nukleinsyre opprinnelig oppsto og kontrollerte dannelsen av proteiner.

In vitro-syntese av RNA-molekylet av 77 ribonukleotider av HG Khorana (1970) ga opphav til spekulasjon som sannsynligvis RNA, og ikke DNA, var det primordiale genetiske materialet. Denne oppfatningen ble ytterligere støttet av oppdagelsen av visse ribozymer (RNA-molekyler som har enzymatiske egenskaper).

Så den siste oppfatningen er at de første cellene brukte RNA som arvelig materiale og senere DNA utviklet seg bare fra en RNA-mal når RNA-basert liv ble innesluttet i membraner. Endelig erstattet DNA RNA som det genetiske materialet for de fleste organismer. En viss sjanseforening av proteiner, puriner, pyrimidiner og andre organiske forbindelser kan ha gitt opphav til et system som kunne reproducere.

En tynn begrensende membran ble utviklet rundt cytoplasma ved folding av monolag av fosfolipider for å danne cellemembran. Det er således mulig at første celler oppsto på samme måte som koakervater ble dannet i primitive vannlegemer. De første "celllignende" strukturene med divisjonskraft ble kalt "eobionts" eller "Pre-cell". Slike første cellulære former for liv stammer fra omkring 2000 millioner år siden.

Disse var kanskje lik Mycoplasma som ga opphav til Monerans (celler uten en veldefinert kjernen) og Protistans (celler med distinkt kjernen). Moneraen inkluderte prokaryoter som bakterier og cyanobakterier. Protista ga opphav til eukaryoter som utviklet seg til Protozoa, Metazoa og Metaphyta. Denne tidlige encellede felles forfader av archaebacteria, eubacteria og eukaryoter ble kalt progenote.

Eksperimentelt bevis på abiogen molekylær evolusjon av livet:

I 1953 e.Kr. viste Stanley L. Miller (figur 7.8) (en biokjemiker) og Harold C. Urey (en astronom) eksperimentelt dannelsen av enkle organiske forbindelser fra enklere forbindelser under reduserende forhold (figur 7.9).

Det kalles simuleringseksperiment. Det var rettet mot å vurdere gyldigheten av Oparin og Haldane krav på opprinnelse av organiske molekyler i den primære jordtilstanden. De underkastet metan-ammoniakk-hydrogen-vann-blanding (simulering av primordial atmosfæren) i omtrent en uke over en elektrisk gnist (på ca. 75.000 volt som simulerte lynet av primitiv jord og gitt en temperatur på ca. 800 ° C) mellom to wolframelektroder i et gasskammer (kalt gnistutladningsapparat) plassert under reduserende betingelser.

Metan, ammoniakk og hydrogen ble tatt i forholdet 2: 2: 1. De passerte de varme produktene gjennom en kondensator (for kondensering og oppsamling av vandig sluttprodukt,

Tilsvarende Haldane's suppe).

Kontrollforsøket inneholdt alle kravene unntatt energikilden. Etter atten dager analyserte de kjemisk forbindelsene kjemisk ved hjelp av kromatografiske og kolorimetriske metoder. De fant mange aminosyrer (glycin, alanin, asparaginsyre, glutaminsyre etc.), peptider, puriner, pyrimidiner og organiske syrer.

Disse puriner og pyrimidiner virket som forløpere av nukleinsyrer. Disse aminosyrene er essensielle for dannelsen av proteiner. Mellomproduktene ble funnet å være aldehyder og HCN. I kontrollforsøket ble ubetydelig mengde organiske molekyler lagt merke til.

Analyse av meteorittinnhold viste også at lignende forbindelser som indikerer lignende prosesser, forekommer andre steder i rommet.

Eksperimentelt bevis på dannelse av komplekse organiske forbindelser:

Sydney W. Fox (1957 AD) rapporterte at når en blanding av 18-20 aminosyrer oppvarmes til kokepunktet (160 til 210 ° C i flere timer) og deretter avkjøles i vann, blir mange aminosyrer polymeriserte og dannede polypeptidkjeder, kalt proteinoider.

Fox uttalte at disse proteinoidene med vann dannet de kolloidale aggregatene kalt coacervates eller mikrosfærer (figur 7.10). Disse var ca 1-2 μm i diameter, som ligner coccoid bakterier i form og størrelse.

Disse kan bli indusert til å begrense overfladisk ligner spirende i bakterier og sopp (gjær). Han rapporterte også dannelsen av porfyriner, nukleotider og ATP fra uorganiske forbindelser og HCN.

Dannelse av komplekse aggregater:

Oparin rapporterte at hvis en blanding av et stort protein og et polysakkarid blir rystet, dannes koakervater. Kjernen til disse koakervater ble hovedsakelig dannet av protein, polysakkarid og noe vann og ble delvis isolert fra den omgivende vandige oppløsningen med lavere mengde proteiner og polysakkarider. Men disse coacervates har ikke ytre membran av lipider og var ikke i stand til å reprodusere.

C. Kognogeni (Det primitive livets natur og dens evolusjon):

Den naturlige delen opererte selv ved livets opprinnelse. Fortsatt utvelgelse av mer vellykkede eobionter ledsaget av perfeksjon av membransystem ledet sannsynligvis til dannelsen av første celle.

Tidligste celler var anaerobe (oppnådd energi ved gjæring av noen organiske molekyler ettersom ingen oksygen var tilgjengelig), prokaryotisk (med nukleoid som i bakterier) og kjemoheterotrofisk (avledet ferdigmat fra eksisterende organiske molekyler).

Disse begynte å utlede næringsrike organiske forbindelser fra de primitive hav som deres byggeklosser og energikilder. Så disse cellene vokste til enorm størrelse. For å begrense deres størrelse, startet kjemoheterotrofer cellemittose og økte dermed deres nummer.

For å takle den forsinkende tilførselen av organiske forbindelser utviklet noen av disse kjemoheterotrofer seg til anaerobe, prokaryotiske og kjemoautotrofer. Disse begynte å syntetisere sin egen økologiske mat fra uorganiske forbindelser i nærvær av kjemisk energi (også fra nedbrytning av uorganiske forbindelser) og enzymer, f.eks. Sulfatreduserende bakterier, nitrifiserende bakterier, jernbakterier etc. Hovedmakt for denne typen evolusjon ble foreslått å være mutasjoner.

I motsetning til problemet med å øke mangelen på uorganiske forbindelser, utviklet noen av kjemoautotroferne porfyriner og bakterioklorofyll (grønt fotosyntetisk pigment) og startet fotosyntese (syntese av karbohydrat). Dette førte til utviklingen av anaerobe, prokaryotiske og fotoautotrofer. Disse utviklet seg rundt 3500-3800 millioner år siden.

Første fotoautotrofer var anoksygen da disse ikke brukte vann som råmateriale i fotosyntese. Senere utviklet disse sanne klorofyll og begynte å bruke vannet som et reagens, slik at O2 ble utviklet i prosessen med fotosyntese. Første oksygen- og aerobicfotoautotrofer var cyanobakterier som antas å utvikle seg rundt 3.300-3.500 millioner år siden.

Tilsvarende rapporterte JW Schopf (1967) tilstedeværelsen av 22 aminosyrer i en 3000 millioner gammel berg, mens eldste mikrofossil tilhører blågrønne alger, nemlig Archaespheroids barbertonensis, ca 3, 3 til 3, 5 milliarder år siden.

I lang tid var de dominerende og kanskje de eneste livsformene på jorden bakterier, mugg og cyanobakterier. Gradvis utviklet blågrønne alger til andre former for alger. Det er anslått at eukaryoter utviklet seg rundt 1600 millioner år tilbake.

Første eukaryoter utviklet seg enten ved mutasjon i prokaryoter (Raff og Mahler, 1972) eller symbiotisk forening av forskjellige prokaryoter (Marguilis, 1970). Senere ble mange typer alger, sopp, protozoaner og andre levende organismer utviklet.