Livets opprinnelse: Moderne teori om livets opprinnelse

Les denne artikkelen for å lære om Modern Theory også kjent som Oparin-Haldane Theory of Origin of Life!

Modern Theory eller Oparin-Haldane Theory of Origin of Life:

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 interagerte for å produsere alle typer makromolekyler som organiserte til å danne det første levende system eller celler.

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

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. AI Oparin (1894-1980) var en russisk forsker. Han publiserte sin bok "The Origin of Life" i 1936 og en engelsk utgave i 1938. JBS Haldane (1892-1964) ble født i England, men migrert til India i juli 1957 og bosatt seg i Bhubaneswar, Orissa. Han var biolog, biokjemiker og genetiker. Både Oparin (1938) og Haldane (1929) ga lignende syn på livets opprinnelse.

Modemvisninger om livets opprinnelse inkluderer kjemisk evolusjon og biologisk evolusjon:

A. Kjemisk evolusjon (kjemogeni):

1. Atomfasen:

Tidlige jord hadde utallige atomer 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.

2. Dannelse av uorganiske molekyler:

Friatomer kombinert for å danne uorganiske molekyler som H ₂ (Hydrogen), N ₂ (nitrogen), H ₂₀ (Vanndamp), CH ₄ (Metan), NH ₃ (Ammoniak), CO ₂ (karbondioksid). 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 molekylene av primitiv jord.

3. Formasjon av enkle organiske molekyler (monomerer):

De tidlige uorganiske molekylene interagerte og produserte enkle organiske molekyler som enkle sukkerarter (f.eks. Ribose, deoksyribose, glukose osv.), Nitrogenholdige baser (f.eks. Puriner, pyrimidiner), aminosyrer, glyserol, fettsyrer, etc.

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.

CH ₄ + C0 ₂ + H ₂ 0 -> Sukker + Glycerol + Fettsyrer

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

CH4 + NH3 + C02 + H20-> Aminosyrer

Noen eksterne kilder må ha virket 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.

En suppe-lignende buljong av kjemikalier dannet i havene fra den tidlige jord hvor levende celler antas å ha dukket opp, ble betegnet av JB Haldane (1920) som "prebiotisk suppe" (også kalt "varm fortynnet 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, som da var en kandidatstudent av Harold Urey (1893-1981) ved University of Chicago, 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. Forholdet mellom metan, ammoniakk og hydrogen i Miller eksperiment var 2: 1: 2.

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 gjennomførte forsøket for å teste ideen om at organiske molekyler kunne syntetiseres i et reduserende miljø.

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 forskere syntetisert et stort utvalg av organiske forbindelser, inkludert puriner, pyrimidin og enkle sukkerarter, etc. Det antas at de essensielle "byggeblokkene" som nukleotider, aminosyrer osv. Av levende organismer kunne ha dannet på primitiv jord.

4. Formasjon av komplekse organiske molekyler (makromolekyler):

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 av University of Miami har vist 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.

Sukker + Sukker ----> Polysakkarider

Fettsyre + Glycerol ----> Fett

Aminosyrer- + Aminosyrer ----> Proteiner

Nitrogenbaser + Pentose Sukker + Fosfater ---> Nukleotider

Nukleotider + Nukleotider ----> Nukleinsyrer

Som kom Første RNA eller Protein?

RNA første hypotesen:

I begynnelsen av 1980-tallet foreslo tre forskere (Leslia orgel, Francis Crick og Carl Woese) uavhengig av RNA World som den første fasen i utviklingen av livet der RNA katalyserte alle molekyler som er nødvendige for overlevelse og replikasjon. Thomas Ceck og Sidney Altman delte Nobelprisen i kjemi i 1989 fordi de oppdaget at RNA kan være både et substrat og et enzym.

Hvis de første cellene brukte RNA som deres arvelige molekyl, utviklet DNA fra en RNA-mal. DNA utviklet seg trolig ikke som et arvelig molekyl untill RNA-basert liv ble innesluttet i membranen. Når celler utviklet DNA, erstattet sannsynligvis RNA som den genetiske koden for de fleste organismer.

Protein-første hypotesen:

En rekke forfattere (for eksempel Sidney Fox, 1978) hevdet at et protein-katalytisk system må ha utviklet seg før et nukleinsyre-replikerende system. Sidney Fox hadde vist at aminosyrer polymeriserte abiotisk når de ble utsatt for tørr varme for å danne proteinoider.

Cairns-Smiths hypotesen:

Det ble foreslått av Graham Caims-Smith, ifølge hvilken både proteiner og RNA oppsto samtidig.

Dannelse av nukleoproteiner:

De gigantiske nukleoproteinmolekylene ble dannet ved forening av nukleinsyre og proteinmolekyler. Disse nukleoproteinpartiklene ble beskrevet som frie levende gener. Nukleoproteiner ga trolig det første tegn på livet.

B. Biologisk Evolusjon (Biogeni):

Betingelser for livets opprinnelse:

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.

1. Protobionter eller Protocells:

Dette er minst to typer ganske enkelt laboratorieproducerte strukturer-Oparin's coacervates og Fox's mikrosfærer som har noen av de grunnleggende forutsetningene for proto-celler.

Selv om disse strukturene ble opprettet kunstig, peker de på sannsynligheten for at ikke-biologiske membranhuller (proto-celler) kunne ha opprettholdt reaktive systemer i minst korte tidsperioder og førte til forskning på den eksperimentelle produksjonen av membranbundne vesikler inneholdende molekyler, dvs., proto celler.

(i) Coacervates:

Den første hypotesen ble foreslått av Oparin (1920). I følge denne hypotesen kunne tidlig proto-cellen ha vært en coacervate. Oparin ga uttrykket coacervates. Disse var ikke-levende strukturer som førte til dannelsen av de første levende celler som de mer komplekse cellene i dag har utviklet seg til.

Oparin spekulerte på at en proto-cellen besto av karbohydrater, proteiner, lipider og nukleinsyrer som akkumuleres for å danne et coacervate. En slik struktur kunne ha bestått av en samling organiske makromolekyler omgitt av en film av vannmolekyler.

Dette arrangementet av vannmolekyler, men ikke en membran, kunne ha fungert som en fysisk barriere mellom de organiske molekylene og omgivelsene deres. De kunne selektivt ta inn materialer fra omgivelsene og innlemme dem i strukturen.

Coacervates har blitt syntetisert i laboratoriet. De kan selektivt absorbere kjemikalier fra det omkringliggende vannet og innlemme dem i strukturen. Noen koakervater inneholder enzymer som styrer en bestemt type kjemisk reaksjon.

Fordi de mangler en bestemt membran, hevder ingen at coacervates er i live, men de viser noe liv som tegn. De har en enkel, men vedvarende organisasjon. De kan forbli i løsning i lengre perioder. De har muligheten til å øke i størrelse.

(ii) mikrosfærer:

En annen hypotese er at tidlig proto-cellen kunne ha vært en mikrosfære. En mikrosfære er en ikke-levende samling av organiske makromolekyler med dobbeltlags ytre grense. Begrepet mikrosfære ble gitt av Sydney Fox (1958-1964).

Sidney Fox viste evnen til å bygge mikrosfærer fra proteinoider. Proteinoider er proteinlignende strukturer som består av forgrenede aminosyrer. Proteinoider dannes ved dehydrasjonssyntese av aminosyrer ved en temperatur på 180 ° C. Fox fra University of Miami viste at det er mulig å kombinere enkle aminosyrer til polymerer av proteinoider. Han demonstrerte også evnen til å bygge mikrosfærer fra disse proteinoidene.

Fox observert små sfæriske cellelignende enheter som hadde oppstått av aggregeringer av proteinoider. Disse molekylære aggregatene ble kalt proteinoide mikrosfærer. De første ikke-cellulære livsformer kunne ha oppstått 3 milliarder år tilbake. De ville ha vært gigantiske molekyler (RNA, Proteiner, Polysakkarider etc.).

Mikrosfærer kan dannes når proteinoider plasseres i kokende vann og får langsomt å avkjøles. Noen av proteinoidmaterialet produserer en dobbeltgrensende struktur som omslutter mikrosfæren. Selv om disse veggene ikke inneholder lipider, viser de noen membranlignende egenskaper og antyder strukturen av en cellemembran.

Mikrosfærer svulmer eller krympes avhengig av det osmotiske potensialet i den omkringliggende løsningen. De viser også en type intern bevegelse (streaming) som ligner den som er utstilt av celler og inneholder noen proteinoider som fungerer som enzymer. Ved å bruke ATP som energikilde kan mikrosfærer lede dannelsen av polypeptider og nukleinsyrer. De kan absorbere materiale fra det omkringliggende mediet.

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.

Ifølge enkelte etterforskere kan mikrosfærer betraktes som første levende celler.

2. Opprinnelsen til prokaryoter:

Prokaryoter stammer fra proto-celler ca 3, 5 milliarder år siden i sjøen. Atmosfæren var anaerob fordi fri oksygen var fraværende i atmosfæren. Prokaryoter har ikke kjernemembran, cytoskelet eller komplekse organeller. De deler seg ved binær fisjon. Noen av de eldste kjente fossile cellene vises som deler av stromatolitter. Stromatolitter dannes i dag fra sedimenter og fotosyntetiske prokaryoter (hovedsakelig filamentøse cynobakterier - blågrønne alger).

3. Evolusjon av næringsmåter:

(i) Heterotrophs:

De tidligste prokaryotene oppnådde antagelig energi ved fermentering av organiske molekyler fra havboks i oksygenfri atmosfære (reduserende atmosfære). De krevde ferdigorganisk organisk materiale som mat og dermed var de heterotrofer.

(ii) Autotrofer:

På grunn av rask økning i antall heterotrofer begynte næringsstoffet fra sjøvann å forsvinne og gradvis oppbrukt. Det førte til utviklingen av autotrofer. Disse organismer var i stand til å produsere sine egne organiske molekyler ved kjemosyntese eller fotosyntese.

(a) Chemoautotrophs:

Drop in temperatur stoppet syntese av organiske molekyler i sjøvannet. Noen av de tidlige prokaryotene ble omdannet til kjemoterotrofer som tilberedte økologisk mat ved å bruke energi utgitt under visse uorganiske kjemiske reaksjoner. Disse anaerobe kjemoautotrophene var som nåværende anaerobe bakterier. De sluppet CO ₂ i atmosfæren.

(b) Photoautotrophs:

Evolusjon av klorofyllmolekylet gjorde det mulig for enkelte protocells å benytte lysenergi og syntetisere karbohydrater. Disse var anaerobe fotoautotrofer. De brukte ikke vann som en hydrogenkilde. De ligner dagens svovelbakterier der hydrogensulfid spaltes i hydrogen og svovel. Hydrogen ble brukt i næringsmiddelproduksjon og svovel ble frigjort som et avfallsprodukt.

Aerobic photoautotrophs brukte vann som kilde til hydrogen og karbondioksid som kilde til karbon for å syntetisere karbohydrat i nærvær av solenergi. De første aerobicfotoautotrophene var cyanobakterier (blågrønne alger) som former som hadde klorofyll. De sluppet oksygen i atmosfæren som det ved produkt av fotosyntese. Hovedkilden til genetisk variasjon var mutasjon.

Oksygenrevolusjon:

Etter hvert som antall fotoautotrofer økte, ble oksygen frigjort i sjøen og atmosfæren. Fri oksygen enn reagert med metan og ammoniakk tilstede i primitiv atmosfære og transformert metan og ammoniakk i karbondioksid og fri nitrogen.

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

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

Den eldste fossilen tilhører blågrønne alger, kalt Archaeospheroides barbertonensis, som er 3, 2 milliarder år gammel. Oksygenfrigivende prokaryoter oppsto først for minst 2, 5 milliarder år siden.

4. Formasjon av ozonlag:

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

2O2 + 02-> 2O3

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

5. Eukaryotes opprinnelse:

Eukaryotene utviklet seg fra primitive prokaryotiske celler ca 1, 5 milliarder år siden. Det er to synspunkter angående opprinnelsen til eukaryoter.

(i) Symbiotisk opprinnelse:

Ifølge Margulis (1970-1981) fra Boston University, oppsluppet noen anaerobe rovdyrsvertsceller primitive aerobe bakterier, men fordøyet dem ikke. Disse aerobic bakteriene etablerte seg i vertscellene som symbionter. Slike predatorvertsceller ble de første eukaryote celler.

De rovdyrvertsceller som oppsluktet aerobic bakterier utviklet seg til dyreceller, mens de som fanget både aerobic bakterier og blågrønne alger ble eukaryote planteceller. De aerobiske bakteriene etablerte seg som mitokondrier og blågrønne alger som kloroplaster.