Modern zicht op chemische en biologische evolutie

Modern zicht op chemische en biologische evolutie!

Volgens deze theorie ontstond het leven op de vroege aarde door middel van fysisch-chemische processen van atomen die zich combineerden om moleculen te vormen, moleculen die op hun beurt reageerden om anorganische en organische verbindingen te produceren.

Organische verbindingen die op elkaar inwerken om alle soorten macromoleculen te produceren die zich organiseerden om het eerste levende systeem of cellen te vormen.

Dus volgens deze theorie is 'leven' spontaan op onze aarde ontstaan ​​uit niet-levende materie. Eerste anorganische verbindingen en vervolgens organische verbindingen werden gevormd in overeenstemming met steeds veranderende omgevingscondities. Dit wordt chemische evolutie genoemd die niet kan plaatsvinden onder de huidige omgevingsomstandigheden op aarde. Omstandigheden die geschikt zijn voor de oorsprong van het leven, bestonden alleen op primitieve aarde.

Oparin-Haldane-theorie wordt ook chemische theorie of naturalistische theorie genoemd

Moderne opvattingen over de oorsprong van het leven omvatten chemische evolutie en biologische evolutie:

1. Chemische evolutie:

(i) De atoomfase:

Vroege aarde slechte ontelbare vrije atomen van al die elementen (bijv. Waterstof, zuurstof, koolstof, stikstof, zwavel, fosfor, etc.) die essentieel zijn voor de vorming van protoplasma. Atomen werden gescheiden in drie concentrische massa's volgens hun gewichten, (a) De zwaarste atomen van ijzer, nikkel, koper, enz. Werden gevonden in het centrum van de aarde, (b) Medium gewichtsatomen van natrium, kalium, silicium, magnesium, aluminium, fosfor, chloor, fluor, zwavel, etc. werden verzameld in de kern van de aarde, (c) De lichtste atomen van stikstof, waterstof, zuurstof, koolstof etc., vormden de primitieve atmosfeer.

(ii) Oorsprong van moleculen en eenvoudige anorganische verbindingen:

Vrije atomen gecombineerd om moleculen en eenvoudige anorganische verbindingen te vormen. Waterstofatomen waren het talrijkst en meest reactief in primitieve atmosfeer. Eerst waterstofatomen gecombineerd met alle zuurstofatomen om water te vormen en geen vrije zuurstof achter te laten. Aldus was de primitieve atmosfeer reducerende atmosfeer (zonder vrije zuurstof) in tegenstelling tot de huidige oxiderende atmosfeer (met vrije zuurstof). Waterstofatomen ook gecombineerd met stikstof, waarbij ammoniak (NH ₃ ) wordt gevormd. Dus water en ammoniak waren waarschijnlijk de eerste samenstellingsmoleculen van primitieve aarde.

(iii) Herkomst van eenvoudige organische verbindingen (monomeren):

De primitieve atmosfeer bevatte gassen zoals CO ₂, CO, N, H2, enz. De stikstof en koolstof van de atmosfeer in combinatie met metaalatomen, vormden nitriden en carbiden. Waterdamp en metaalcarbiden reageerden om de eerste organische verbinding, methaan (CH ₄ ) te vormen. Later werd waterstofcyanide (HCN) gevormd.

Stortregens moeten gevallen zijn:

Terwijl het water naar beneden stroomde, moest het zijn opgelost en zouten en mineralen hebben meegevoerd en uiteindelijk zijn geaccumuleerd in de vorm van oceanen. Aldus bevatte het oude oceanische water grote hoeveelheden opgeloste NH3, CH4, HCN, nitriden, carbiden, verschillende gassen en elementen.

De vroege verbindingen interageerden en produceerden eenvoudige organische verbindingen zoals eenvoudige suikers (bijv. Ribose, deoxyribose, glucose, enz.), Stikstofhoudende basen (bijv. Purines, pyrimidines), aminozuren, glycerol, vetzuren, enz. Sommige externe bronnen moeten zijn op het mengsel inwerken voor reacties. Deze externe bronnen kunnen zijn (i) zonnestraling zoals ultraviolet licht, röntgenstralen, enz. (Ii) energie van elektrische ontladingen zoals bliksem; (iii) hoge energiestraling zijn andere bronnen van energie (waarschijnlijk onstabiele isotopen op de primitieve aarde). Er was geen ozonlaag in de atmosfeer.

Het oceanische water dat rijk is aan mengsels van organische verbindingen werd door JBS Haldane (1920) aangeduid als 'hete verdunde soep van organische stoffen'. De 'hete verdunde soep' wordt ook wel prebiotische soep genoemd '. Zo werd de weg geëffend voor een combinatie van verschillende chemische elementen. Eenmaal gevormd verzamelden de organische moleculen zich in water omdat hun degradatie extreem langzaam was in de afwezigheid van enige levens- of enzymkatalysatoren.

Experimenteel bewijs voor de Abiogenic Molecular Evolution of Life:

Stanley Miller in 1953 toonde duidelijk aan dat ultraviolette straling of elektrische ontladingen of warmte of een combinatie hiervan complexe organische verbindingen kunnen vormen uit een mengsel van methaan, ammoniak, water (stroom van water) en waterstof.

Miller circuleerde vier gassen - methaan, ammoniak, waterstof en waterdamp in een luchtdicht apparaat en passeerde elektrische ontladingen van elektroden bij 800 ° C. Hij passeerde het mengsel door een condensor. Hij liet de gassen continu op deze manier gedurende één week circuleren en analyseerde vervolgens de chemische samenstelling van de vloeistof in het apparaat. Hij vond een groot aantal eenvoudige organische verbindingen waaronder enkele aminozuren zoals alanine, glycine en asparaginezuur. Miller bewees dat organische verbindingen de basis van het leven waren.

Andere stoffen, zoals ureum, waterstofcyanide, melkzuur en azijnzuur waren ook aanwezig. In een ander experiment liet Miller het mengsel van de gassen op dezelfde manier circuleren, maar hij passeerde de elektrische ontlading niet. Hij kon de significante opbrengst van de organische verbindingen niet krijgen. Later hebben veel onderzoekers een grote verscheidenheid aan organische verbindingen gesynthetiseerd, waaronder purines, pyrimidines en eenvoudige suikers, enz. Men is van mening dat de essentiële 'bouwstenen' zoals nucleotiden, aminozuren, enz. Van levende organismen zich aldus op de primitieve aarde.

(iv) Herkomst van complexe organische verbindingen (polymeren):

Een verscheidenheid aan aminozuren, vetzuren, koolwaterstoffen, purines en pyrimidine-basen, eenvoudige suikers en andere organische verbindingen die zich in de oude zeeën hebben opgehoopt. In de oer-atmosfeer kunnen elektrische ontlading, bliksem, zonne-energie, ATP en polyfosfaten de bron van energie zijn geweest voor polymerisatiereacties van organische synthese. SW Fox toonde aan dat als een bijna droog mengsel van aminozuren wordt verwarmd, polypeptidemoleculen worden gesynthetiseerd.

Evenzo kunnen eenvoudige suikers polysacchariden vormen en kunnen vetzuren worden gecombineerd om vetten te produceren. Aminozuren kunnen eiwitten vormen, wanneer andere factoren een rol spelen. Aldus combineerden de kleine eenvoudige organische moleculen om grote complexe organische moleculen te vormen, bijv. Aminozuureenheden verbonden om polypeptiden en proteïnen te vormen, eenvoudige suikereenheden gecombineerd om polysacchariden, vetzuren en glycerol verenigd tot vetten, suikers, stikstofhoudende basen en fosfaten te vormen gecombineerd tot nucleotiden die polymeriseerden tot nucleïnezuren in de oude oceanen.

2. Biologische evolutie:

Voor de oorsprong van het leven zijn ten minste drie voorwaarden nodig:

(a) Er moet een voorraad replicatoren zijn geweest, dwz zelfproducerende moleculen.

(b) Het kopiëren van deze replicators moet door een mutatie foutief zijn geweest.

(c) Het replicatorsysteem moet een continue toevoer van vrije energie en een gedeeltelijke isolatie van de algemene omgeving vergen.

De hoge temperatuur in de vroege aarde zou aan de vereiste van mutatie hebben voldaan.

Oorsprong van pre-biotische moleculen:

De derde voorwaarde, gedeeltelijke isolatie, is bereikt binnen aggregaten van kunstmatig gevormde prebiotische moleculen. Deze aggregaten worden protobionts genoemd die combinaties van moleculen van de omgeving kunnen scheiden. Ze onderhouden een interne omgeving, maar kunnen zich niet reproduceren. Twee belangrijke prototypen zijn coacervaten en microsferen.

coacervaten:

Oparin (1924) merkte op dat als een mengsel van een groot eiwit en een polysaccharide wordt geschud, coacervaten worden gevormd. De coacervaten bevatten voornamelijk eiwitten, polysacchariden en wat water. Oparin's coacervaten vertonen ook een eenvoudige vorm van metabolisme. Omdat deze coacervaten geen buitenmembranen van de lipiden hebben, kunnen ze zich dus niet reproduceren. Ze voldoen dus niet aan de vereisten voor waarschijnlijke voorlopers van het leven.

microsferen:

Wanneer mengsels van kunstmatig geproduceerde organische verbindingen worden gemengd met koud water worden microsferen gevormd. Als het mengsel lipiden bevat, bestaat het oppervlak van de microsferen uit een lipide dubbellaag die doet denken aan dingen uit het verleden aan de lipide dubbellaag van celmembranen. Sydney Fox (1950) verwarmde een mengsel van 18 aminozuren tot temperaturen van 130 tot 180 ° C. Hij verkreeg stabiele, eiwitachtige macromoleculen, die hij protenoïden noemde.

Toen het protenoïde materiaal werd afgekoeld en onder de microscoop werd onderzocht, observeerde Fox kleine sferische celachtige eenheden die waren ontstaan ​​uit aggregaties van protenoïden. Deze moleculaire aggregaten werden protenoïde microiospheies genoemd. De eerste niet-cellulaire vormen van leven zouden 3 miljard jaar terug kunnen zijn ontstaan. Het zouden gigantische moleculen zijn geweest (RNA, proteïnen en polysacchariden enz.).

Fysische eigenschappen van protenoïde microsferen:

Ze waren bolvormig microscopisch met ongeveer 1 tot 2 (am in diameter, vergelijkbaar met de grootte en vorm van coccoïde bacteriën.

Structurele eigenschappen van protenoïde microsferen:

Onder een elektronenmicroscoop zijn concentrische dubbel gelaagde grenzen daaromheen waargenomen waardoor diffusie van materiaal plaatsvindt. Ze hebben het vermogen tot beweeglijkheid, groei, binaire splitsing in twee deeltjes en een reproductiecapaciteit door ontluikende en fragmentatie. Oppervlakkig gezien lijkt hun ontluiking op die van bacteriën en schimmels.

Enzymachtige activiteiten van protenoïdmicrosferen:

Ze bleken een katalytische activiteit te hebben, zoals afbraak van glucose. Deze enzymatische activiteit van protenoïde microsferen gaat gedeeltelijk verloren tijdens verwarmen.

Het belangrijkste nadeel van de protenoïde-microsferen is dat ze een beperkte diversiteit hebben. Het mechanisme van gedeeltelijke isolatie dat tot de oorsprong van protobionts leidt, blijft dus nog steeds onopgelost.

Aangezien zowel proteïne- als nucleïnezuren (samen met andere eenvoudigere stoffen) vereist zijn voor het ontwikkelen en reproduceren van organismen die tegenwoordig leven, is een voor de hand liggende vraag welke van deze stoffen het eerst ontstonden? Er is geen duidelijk antwoord voor beschikbaar.

RNA First Model:

De laatste jaren zijn bewijzen voor RNA dat materiaal van het eerst gevormde gen is (Woese, 1967, Crick 1968, Orgel 1973, 1986 Watson et al 1986, Darnell et al 1986). Zo kan RNA het eerste polymeer zijn geweest en een vorm van reverse transcriptie kan aanleiding hebben gegeven tot DNA en RBA en DNA begonnen de eiwitsynthese te beheersen.

Waarom was RNA en niet DNA het eerste levende molecuul?

Enzymatische activiteiten van RNA-moleculen worden voortdurend ontdekt, maar geen enkele enzymatische activiteit is ooit toegeschreven aan DNA. Verder wordt ribose veel gemakkelijker gesynthetiseerd dan deoxyribose onder gestimuleerde prebiotische omstandigheden. Een selectief voordelig RNA-molecuul zou er een zijn die de synthese van eiwit stuurt dat de replicatie van specifiek RNA versnelt (dwz RNA-polymerase).

RNA's zouden de vorming van lipide-achtige moleculen gekatalyseerd kunnen hebben die op hun beurt plasmamembraan en eiwitten zouden kunnen hebben gevormd. De eiwitten kunnen de meeste enzymatische functies hebben overgenomen omdat ze betere katalysatoren zijn dan RNA's. Als de eerste cellen RNA als hun erfelijke molecule gebruikten, evolueerde DNA uit een RNA-template. Zodra de cellen zich ontwikkelden, verving DNA waarschijnlijk RNA in de meeste organismen.

Vorming van de vroegste cellen:

(i) De eerste levende organismen zijn ontstaan ​​uit organische moleculen en in een zuurstofvrije atmosfeer (reducerende atmosfeer). Ze verkregen vermoedelijk energie door de vergisting van sommige van deze organische moleculen. Ze waren anaëroben, in staat om te ademen in afwezigheid van zuurstof. Ze hingen af ​​van de bestaande organische moleculen voor hun voeding en dus waren ze heterotrofen.

(ii) Wanneer de toevoer van bestaande organische moleculen was uitgeput, konden sommige van de heterotrofen evolueren tot autotrofen. Deze organismen waren in staat om hun eigen organische moleculen te produceren door chemosynthese of fotosynthese.

(a) Chemosynthese:

De organismen die chemosynthese uitvoeren, worden chemoautotrofen genoemd. Ze waren anaeroob. Chemoautotrophs ontwikkelden het vermogen om organische moleculen te synthetiseren uit anorganische grondstoffen. Een dergelijke voedingswijze is zelfs nu aanwezig in sommige bacteriën, bijvoorbeeld zwavelbacteriën, ijzerbacteriën, nitrificerende bacteriën.

(b) Fotosynthese:

De fotosynthetische organismen, de photoautotrofen, ontwikkelden het pigment chlorofyl door een combinatie van eenvoudige chemicaliën. Ze bereidden biologisch voedsel voor met behulp van zonne-energie die met behulp van chlorofyl werd gevangen. Ze misten de biochemische paden om zuurstof te produceren. Ze waren nog steeds anaeroob en gebruikten waterstof uit andere bronnen dan water.

In een later stadium ontwikkelde zich zuurstofafgevende fotosynthetische organismen. Deze waren vergelijkbaar met de bestaande blauwgroene algen (cyanobacteriën). Ze gebruikten water om waterstof te krijgen en zuurstof vrij te maken. Toevoeging van O ₂ aan de atmosfeer begon het methaan en ammoniak te oxideren, dat begon te verdwijnen.

CH ₄ + 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O

4NH ₃ + 3O ₂ → 2N ₂ + 6H ₂ O

Het leven was ongeveer 3, 9 miljard jaar geleden op aarde aanwezig. De oudste microfossielen die tot nu toe zijn ontdekt, zijn die van fotosynthetische cyanobacteriën die 3, 3 tot 3, 5 miljard jaar geleden verschenen.

Vorming van ozonlaag:

Terwijl zuurstof zich ophoopte in de atmosfeer veranderde het ultraviolet licht wat tifoxy tot ozon.

2O ₂ + O ₂ → 2O ₃

De ozon vormde een laag in de atmosfeer, blokkeerde het ultraviolette licht en liet het zichtbare licht als de belangrijkste energiebron achter.

Oorsprong van eukaryotische cellen (echte nucleaire cellen):

Aërobe ademhaling ontwikkelde voldoende zuurstof in de primitieve atmosfeer. De prokaryoten werden geleidelijk aangepast om zich aan te passen aan nieuwe omstandigheden. Ze ontwikkelden een echte kern en andere gespecialiseerde celorganellen. Aldus ontstonden vrijlevende eukaryotische celachtige organismen waarschijnlijk in de Ancierit Ocean, ongeveer 1, 5 miljard jaar geleden. Primitieve eukaryoten leidden tot de evolutie van protisten, planten, schimmels en dieren.

Samenvatting van de belangrijkste stappen in de oorsprong van het leven volgens de moderne theorie van de oorsprong van het leven.