Livets ursprung: Kemisk utveckling, bildandet av primitivt liv och det är evolution

Livets ursprung :: A. Chemogeny (kemisk evolution) B. Biogeni (bildande av primitivt liv) C. Kognogeni (Primitivt livets natur och dess evolution).

Moderna teorin om livets ursprung föreslogs av en rysk biokemist, Alexander I. Oparin (1923 AD) och stöddes av en brittisk vetenskapsman, JBS Haldane (1928 e.Kr.), så kallas också Oparin-Haldane-teorin.

Det uppgav att primitivt liv härstammar i vattenkropparna på primitiva jorden från icke-levande organiska molekyler (t.ex. RNA-proteiner, etc.) genom kemisk utveckling genom en rad kemiska reaktioner omkring 4 miljarder år sedan (i pronomambriska perioden) ( dvs omkring 500 miljoner år efter jordens bildning). Det är mest tillfredsställande teori eftersom det har en vetenskaplig förklaring och har testats experimentellt. Oparin teori är också känd som primär abiogenes.

Olika steg i modern teori är:

A. Chemogeny (kemisk utveckling):

(a) Förhållandena på primitiv jord, omkring 4 miljarder år sedan, var sådana som gynnade den kemiska utvecklingen. När jordytans temperatur var mindre än 100 ° C. Dess atmosfär hade kväve i form av ammorua (-NH ₃ ), kol i form av metan (-CH ₄ ) och syre i form av vattenångor (H ₂ O) men det fanns inget fritt syre så den primitiva atmosfären var ”reducerande”. Dessa föreningar kallades protoplasmiska föreningar.

(b) När jorden kyldes ned utvecklades den en fast skorpa som senare bildade fördjupningar och höjningar. Under tiden kom de atmosfäriska vattendragen kondenserade och slutligen till ytan som regn. Vatten som samlats i fördjupningarna, löst mineralerna som klorid och fosfater och slutligen bildade stora vattenkroppar som kallas oceaner.

(c) Formation av enkla organiska föreningar:

När jordytan kyls till 50-60 ° C kombineras molekyler och mineraler som finns i vattenkroppar på olika sätt genom kondensations-, polymerisations- och oxidoreduktion för att bilda enkla organiska föreningar som alkoholer, aldehyder, glycerol, fettsyror, puriner, pyrimidiner, enkla sockerarter (t ex ribos, deoxyribos, glukos, etc.) och aminosyror.

Dessa organiska föreningar ackumulerade i vattenkropparna eftersom deras nedbrytning var mycket långsam i frånvaro av några konsument- eller enzymkatalysatorer eller frånvaro av syre. Sådan omvandling är inte möjlig i den nuvarande oxiderande atmosfären eftersom syre eller mikrokonsumenter kommer att sönderdela eller förstöra de levande partiklar som kan uppstå genom enbart chans.

Energin för dessa fotokemiska reaktioner tillhandahölls av någon av följande faktorer:

(i) Vulkanutbrott (intensiv torr värme från jorden),

(ii) Solstrålar (UV-strålar),

iii) Elenergi producerad under blixten, och

(iv) Förfall av radioaktiva ämnen.

Haldane föreslog att dessa enkla organiska föreningar gradvis ackumulerades i dessa vattenkroppar och slutligen bildades en "varm tunn soppa" eller "prebiotisk soppa" eller buljong. Detta satte scenen för olika kemiska reaktioner.

(d) Formation av komplexa organiska föreningar:

Enkla organiska föreningar visade tillfälliga kemiska reaktioner och polymerisering för att äntligen bilda komplexa organiska föreningar som polysackarider, fetter, nukleotider, nukleinsyror, polypeptider etc.

Huvudsakliga energikällor för de kemiska reaktionerna och bildandet av polymerer var: elektrisk urladdning, blixt, solenergi, ATP och pyrofosfater. Avdunstning av vatten ledde till koncentration av monomerer och föredragen polymerisation.

Dessa polymerer var stabila så dom dominerades i vattenkropparna. Hög koncentration av polymerer skiftade den kemiska jämvikten mot bildandet av stabila polymerer från instabila monomerer.

(e) bildning av protobjoner:

För livets ursprung måste följande tre villkor vara uppfyllda:

(i) Det måste finnas en kontinuerlig tillförsel av självproducerande molekyler, som kallas replikatorer.

(ii) Kopiering av dessa replikatorer måste ha varit föremål för mutation (förändring).

iii) Systemet av replikatorer måste ha krävt fortsatt leverans av fri energi och deras partiella isolering från den allmänna miljön.

Huvudfaktorn som är ansvarig för mutationer i replikatorerna (prebiotiska molekyler) var förmodligen termiska rörelser inducerad av hög temperatur medan den partiella isoleringen har uppnåtts inom sina aggregat. Oparin och Sydney Fox föreslog att komplexa organiska föreningar syntetiserade abiogenetiskt på den primitiva jorden senare tenderade att ackumulera och bildade stora kolloidala cellliknande aggregat som kallades protobjoner.

Sådana första icke-cellulära livsformer bildade troligen 3 miljarder år tillbaka. Dessa skulle ha jätte molekyler innehållande RNA, protein, polysackarider etc. Dessa aggregat kan separera kombinationer av molekyler från omgivningen och kan upprätthålla en intern miljö.

Men deras huvudsakliga nackdel var att de inte kunde reproducera. Dessa mikroskopiska, sfäriska, stabila och motila aggregat kallades coacervates (L. acervus = stapel - Fig. 7.4) av Oparin och mikrosfärer av Sydney Fox.

Eftersom dessa coacervates inte har lipid yttre membran och inte kan reproduceras misslyckas de att uppfylla kraven som sannolika livsförstadier. Mikrosfärerna blev framgångsrika och multiplicerade eftersom dessa hade kraften i tillväxt och uppdelning (spirande, fragmentering och binär fission-fig. 7.5).

B. Biogeni (bildande av primitivt liv):

Eftersom cellfysiologin är resultatet av enzymatisk aktivitet, så måste enzymerna ha utvecklats före cellerna. Gradvis blev genaggregaten omgivna av ett komplext enzymsystem som bildade cytoplasman. Dessa enzymer kunde ha kombinerat kvävebaserna, enkla sockerarter och fosfater i nukleotiderna.

Nukleotider kan ha kombinerat för att bilda nukleinsyra som verkar vara biomolekylerna som uppfyller villkoret för tillförsel av replikatorer i livets ursprung.

För närvarande arbetar molekylärbiologin med principen om central dogma som säger att flödet av genetiska uppgifter är enriktad och visas nedan:

DNA (transkription) → RNA (translation) → Protein

(Med genetisk information s) (Med genetiskt meddelande)

Denna mekanism utvecklades troligen från en mycket enklare mekanism.

Nukleinsyra och proteiner (enzymer) är två interdependenta biomolekyler. Proteiner syntetiseras genom en process som börjar med transkription av information från DNA till mRNA följt av translation på ribosomer medan nukleinsyror är beroende av de proteana enzymerna för deras replikation.

Således bildar proteiner och nukleinsyror två primära kemiska föreningar i livet. Proteinoidteorin säger att proteinmolekyler utvecklades först, medan naken-gen-hypotesen anger att nukleinsyra ursprungligen först och kontrollerade bildandet av proteiner.

In vitro-syntes av RNA-molekylen av 77 ribonukleotider av HG Khorana (1970) gav upphov till spekulation som troligen RNA, och inte DNA, var det primordiella genetiska materialet. Denna uppfattning stöddes ytterligare av upptäckten av vissa ribozymer (RNA-molekyler med enzymatiska egenskaper).

Så den senaste uppfattningen är att de första cellerna använde RNA som deras ärftliga material och senare utvecklades DNA endast från en RNA-mall när RNA-baserat liv blev inneslutet i membran. Slutligen ersatte DNA RNA som det genetiska materialet för de flesta organismer. En viss chansförening av proteiner, puriner, pyrimidiner och andra organiska föreningar kan ha orsakat ett system som skulle kunna reproducera.

Ett tunt begränsande membran utvecklades runt cytoplasman genom vikning av monolag av fosfolipider för att bilda cellmembran. Det är således möjligt att de första cellerna uppstod på samma sätt som koacervater bildades i primitiva vattenkroppar. De första "cellliknande" strukturerna med divisionskraft kallades "eobionts" eller "Pre-cell". Sådana första cellulära former av liv härstammar för omkring 2000 miljoner år sedan.

Dessa liknade kanske Mycoplasma, vilket gav upphov till Monerans (celler utan en väldefinierad kärna) och protistans (celler med distinkt kärna). Moneraen inkluderade prokaryoter som bakterier och cyanobakterier. Protista gav upphov till eukaryoter som utvecklades till Protozoa, Metazoa och Metaphyta. Denna tidiga encelliga vanliga förfader av archaebacteria, eubacteria och eukaryotes kallades progenote.

Experimentellt bevis på abiogen molekylär utveckling av livet:

1953 e.Kr. bevisade Stanley L. Miller (figur 7.8) (en biokemist) och Harold C. Urey (en astronom) experimentellt bildandet av enkla organiska föreningar från enklare föreningar under reducerande betingelser (figur 7.9).

Det kallas simuleringsexperiment. Det syftade till att bedöma validiteten hos Oparin och Haldane påstående om ursprunget av organiska molekyler i det primära jordförhållandet. De underkastade metan-ammoniak-väte-vattenblandning (simulering av primordial atmosfär) i ungefär en vecka över en elektrisk gnista (av cirka 75 000 volt som simulerade ljussättningen av primitiv jord och gav en temperatur på ca 800 ° C) mellan två volframelektroder i en gaskammare (kallad gnistutmatningsapparat) placerad under reducerande betingelser.

Metan, ammoniak och väte togs i förhållandet 2: 2: 1. De passerade de heta produkterna genom en kondensor (för kondensering och uppsamling av vattenhaltig slutprodukt,

Motsvarar Haldanas soppa).

Kontrollprovet innehöll alla krav utom energikällan. Efter arton dagar analyserade de kemiska föreningarna kemiskt genom kromatografiska och kolorimetriska metoder. De fann många aminosyror (glycin, alanin, asparaginsyra, glutaminsyra etc.), peptider, puriner, pyrimidiner och organiska syror.

Dessa puriner och pyrimidiner fungerade som prekursorer av nukleinsyror. Dessa aminosyror är väsentliga för bildandet av proteiner. Mellanprodukterna befanns vara aldehyder och HCN. I kontrollexperimentet observerades obetydlig mängd organiska molekyler.

Analys av meteoritinnehåll visade också att liknande föreningar som indikerar liknande processer förekommer någon annanstans i rymden.

Experimentellt bevis för bildning av komplexa organiska föreningar:

Sydney W. Fox (1957 AD) rapporterade att när en blandning av 18-20 aminosyror upphettas till kokpunkten (160 till 210 ° C i flera timmar) och sedan kyls i vatten, polymeriseras många aminosyror polymeriserade och bildade polypeptidkedjor, kallade proteinoider.

Fox uppgav att dessa proteinoider med vatten bildade de kolloidala aggregat som kallades coacervates eller mikrosfärer (figur 7.10). Dessa var ca 1-2 μm i diameter, liknande coccoidbakterier i form och storlek.

Dessa kan induceras för att begränsa ytligt liknar växande bakterier och svampar (jäst). Han rapporterade också bildandet av porfyriner, nukleotider och ATP från oorganiska föreningar och HCN.

Bildning av komplexa aggregeringar:

Oparin rapporterade att om en blandning av ett stort protein och en polysackarid skakas, bildas koacervater. Kärnan i dessa coacervater bildades huvudsakligen av protein, polysackarid och viss vatten och isolerades delvis från den omgivande vattenhaltiga lösningen med lägre mängd proteiner och polysackarider. Men dessa coacervates har inte yttre membran av lipider och kunde inte reproducera.

C. Cognogeny (det primitive livet och dess evolution):

Den naturliga sektionen fungerade även vid livets ursprung. Fortsatt urval av mer framgångsrika eobionts tillsammans med perfektion av membransystem ledde sannolikt till bildandet av första cellen.

Tidigaste cellerna var anaeroba (erhållen energi genom jäsning av några organiska molekyler eftersom inget syre var tillgängligt), prokaryot (med nukleoid som i bakterier) och kemoheterotrofisk (härledd färdigmatad mat från befintliga organiska molekyler).

Dessa började härleda näringsrika organiska föreningar från primitiva haven som byggstenar och energikällor. Så dessa celler växte till enorm storlek. För att begränsa deras storlek började kemoheterotrofer cell mitos och så ökade deras antal.

För att klara av försämrad tillförsel av organiska föreningar utvecklades några av dessa kemoheterotrofer till anaeroba, prokaryota och kemoautotrofer. Dessa började syntetisera sin egen organiska mat från oorganiska föreningar i närvaro av kemisk energi (även från nedbrytning av oorganiska föreningar) och enzymer, t.ex. sulfatreducerande bakterier, nitrifierande bakterier, järnbakterier etc. Huvudkraft för denna typ av utveckling föreslogs att vara av mutationer.

Mot bakgrund av problemet med ökande brist på oorganiska föreningar utvecklade några av kemoautotroferna porfyriner och bakterioklorofyll (grönt fotosyntetiskt pigment) och började fotosyntes (syntes av kolhydrater). Detta ledde till utvecklingen av anaeroba, prokaryota och fotoautotrofer. Dessa utvecklades ca 3500-3800 miljoner år sedan.

Första fotoautotroferna var anoxiska eftersom dessa inte använde vatten som ett råmaterial vid fotosyntes. Senare utvecklade dessa sanna klorofyll och började använda vattnet som ett reagens så att O2 utvecklades i fotosyntesprocessen. Första syre- och aeroba fotoautotrofer var cyanobakterier som tros utvecklas ca 3 300 - 3 500 miljoner år sedan.

På liknande sätt rapporterade JW Schopf (1967) närvaron av 22 aminosyror i en 3000 miljoner gammal sten medan äldsta mikrofossil tillhör blågröna alger, nämligen Archaespheroids barbertonensis, ca 3, 3-3, 5 miljarder år sedan.

Under lång tid var de dominerande och kanske de enda formerna av liv på jorden bakterier, formar och cyanobakterier. Gradvis utvecklades blågröna alger till andra former av alger. Det uppskattas att eukaryoter utvecklades runt 1600 miljoner år tillbaka.

Första eukaryot utvecklades genom antingen mutation i prokaryoter (Raff och Mahler, 1972) eller symbiotisk association av olika prokaryoter (Marguilis, 1970). Senare utvecklades många typer av alger, svampar, protozoaner och andra levande organismer.