Moderne Ansichten zur chemischen und biologischen Evolution

Moderne Ansichten zur chemischen und biologischen Evolution!

Nach dieser Theorie entstand das Leben auf der frühen Erde durch physikalisch-chemische Prozesse von Atomen, die sich zu Molekülen vereinigen, Moleküle wiederum reagieren, um anorganische und organische Verbindungen zu bilden.

Organische Verbindungen, die zusammenwirken, um alle Arten von Makromolekülen zu erzeugen, die sich zum ersten lebenden System oder zu Zellen bilden.

Nach dieser Theorie entstand das "Leben" spontan aus unbelebter Materie auf unserer Erde. Unter den sich ständig ändernden Umweltbedingungen bildeten sich zunächst anorganische und dann organische Verbindungen. Dies wird als chemische Evolution bezeichnet, die unter den gegenwärtigen Umweltbedingungen auf der Erde nicht auftreten kann. Bedingungen, die für den Ursprung des Lebens geeignet waren, existierten nur auf der primitiven Erde.

Die Oparin-Haldane-Theorie wird auch als chemische Theorie oder naturalistische Theorie bezeichnet

Moderne Ansichten über den Ursprung des Lebens schließen die chemische Evolution und die biologische Evolution ein:

1. Chemische Evolution:

(i) Die Atomphase:

In der frühen Erde waren unzählige freie Atome aller Elemente (z. B. Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor usw.), die für die Bildung von Protoplasma wesentlich sind. Die Atome wurden in drei konzentrischen Massen nach ihrem Gewicht getrennt. (A) Die schwersten Atome von Eisen, Nickel, Kupfer usw. wurden im Erdmittelpunkt gefunden, (b) Mittlere Atome von Natrium, Kalium, Silizium, Magnesium Im Kern der Erde wurden Aluminium, Phosphor, Chlor, Fluor, Schwefel usw. gesammelt. (c) Die leichtesten Atome von Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff usw. bildeten die Uratmosphäre.

(ii) Ursprung von Molekülen und einfachen anorganischen Verbindungen:

Freie Atome bilden Moleküle und einfache anorganische Verbindungen. Wasserstoffatome waren am zahlreichsten und in primitiver Atmosphäre am reaktivsten. Zuerst werden Wasserstoffatome mit allen Sauerstoffatomen kombiniert, um Wasser zu bilden und keinen freien Sauerstoff zu hinterlassen. Daher war die primitive Atmosphäre im Gegensatz zu der gegenwärtigen oxidierenden Atmosphäre (mit freiem Sauerstoff) eine reduzierende Atmosphäre (ohne freien Sauerstoff). Wasserstoffatome auch mit Stickstoff kombiniert, wobei Ammoniak (NH ₃ ) gebildet wird. Wasser und Ammoniak waren also wahrscheinlich die ersten zusammengesetzten Moleküle der primitiven Erde.

(iii) Herkunft einfacher organischer Verbindungen (Monomere):

Die Uratmosphäre enthielt Gase wie CO ₂, CO, N, H ₂ usw. Der Stickstoff und Kohlenstoff der Atmosphäre kombiniert mit Metallatomen bilden Nitride und Carbide. Wasserdampf und Metallcarbide reagierten unter Bildung der ersten organischen Verbindung, Methan (CH ₄ ). Später bildete sich Cyanwasserstoff (HCN).

Starkregen müssen gefallen sein:

Als das Wasser herabstürzte, musste es sich gelöst haben, Salze und Mineralien mit sich tragen und sich schließlich in Form von Ozeanen ansammeln. So enthielt uraltes Meerwasser große Mengen an gelöstem NH ₃, CH ₄, HCN, Nitriden, Carbiden, verschiedenen Gasen und Elementen.

Die frühen Verbindungen interagierten und erzeugten einfache organische Verbindungen, wie einfache Zucker (z. B. Ribose, Desoxyribose, Glukose usw.), stickstoffhaltige Basen (z. B. Purine, Pyrimidine), Aminosäuren, Glycerin, Fettsäuren usw. Einige externe Quellen müssen erforderlich sein haben auf die Mischung für Reaktionen reagiert. Diese externen Quellen könnten (i) Sonnenstrahlen wie ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlen usw. sein, (ii) Energie aus elektrischen Entladungen wie Blitzeinschlag, (iii) Hochenergiestrahlen sind andere Energiequellen (möglicherweise instabile Isotope an) die primitive Erde). Es gab keine Ozonschicht in der Atmosphäre.

Das ozeanische Wasser, das reich an organischen Verbindungen ist, wurde von JBS Haldane (1920) als "heiße verdünnte Suppe organischer Substanzen" bezeichnet. Die "heiße verdünnte Suppe" wird auch Präbiotikensuppe genannt. Damit war die Bühne für die Kombination verschiedener chemischer Elemente gesetzt. Einmal gebildet, sammelten sich die organischen Moleküle in Wasser an, da ihr Abbau ohne Lebens- oder Enzymkatalysatoren extrem langsam war.

Experimentelle Nachweise für die abiogene molekulare Evolution des Lebens:

Stanley Miller zeigte im Jahr 1953 eindeutig, dass ultraviolette Strahlung oder elektrische Entladungen oder Wärme oder eine Kombination davon komplexe organische Verbindungen aus einer Mischung von Methan, Ammoniak, Wasser (Wasserstrahl) und Wasserstoff erzeugen kann.

Miller zirkulierte vier Gase - Methan, Ammoniak, Wasserstoff und Wasserdampf - in einer luftdichten Apparatur und leitete bei 800 ° C elektrische Entladungen von den Elektroden. Er gab die Mischung durch einen Kühler. Er zirkulierte die Gase auf diese Weise kontinuierlich für eine Woche und analysierte dann die chemische Zusammensetzung der Flüssigkeit im Apparat. Er fand eine große Anzahl einfacher organischer Verbindungen einschließlich einiger Aminosäuren wie Alanin, Glycin und Asparaginsäure. Miller bewies, dass organische Verbindungen Lebensgrundlage waren.

Andere Substanzen wie Harnstoff, Blausäure, Milchsäure und Essigsäure waren ebenfalls vorhanden. In einem anderen Experiment zirkulierte Miller die Mischung der Gase auf dieselbe Weise, ließ jedoch die elektrische Entladung nicht durch. Er konnte die signifikante Ausbeute der organischen Verbindungen nicht erhalten. Später haben viele Forscher eine Vielzahl organischer Verbindungen synthetisiert, darunter Purine, Pyrimidine und einfache Zucker usw. Es wird davon ausgegangen, dass sich die wesentlichen "Bausteine" wie Nukleotide, Aminosäuren usw. lebender Organismen auf dem Organismus gebildet haben könnten primitive Erde.

(iv) Herkunft komplexer organischer Verbindungen (Polymere):

Eine Vielzahl von Aminosäuren, Fettsäuren, Kohlenwasserstoffen, Purinen und Pyrimidinbasen, einfachen Zuckern und anderen organischen Verbindungen hat sich in den alten Meeren angesammelt. In der ursprünglichen Atmosphäre könnten elektrische Entladung, Blitzeinschlag, Sonnenenergie, ATP und Polyphosphate die Energiequelle für Polymerisationsreaktionen der organischen Synthese sein. SW Fox hat gezeigt, dass Polypeptidmoleküle synthetisiert werden, wenn eine nahezu trockene Aminosäuremischung erhitzt wird.

In ähnlicher Weise könnten einfache Zucker Polysaccharide bilden, und Fettsäuren könnten sich zu Fetten kombinieren. Aminosäuren könnten Proteine ​​bilden, wenn andere Faktoren beteiligt waren. So bilden die kleinen einfachen organischen Moleküle, die sich zu großen organischen Komplexmolekülen bilden, z. B. Aminosäureeinheiten, die zu Polypeptiden und Proteinen verbunden sind, einfache Zuckereinheiten, die zu Polysacchariden kombiniert werden, Fettsäuren und Glycerin, die sich zu Fetten, Zuckern, Stickstoffbasen und Phosphaten vereinigen zu Nukleotiden kombiniert, die in den alten Ozeanen zu Nukleinsäuren polymerisierten.

2. Biologische Entwicklung:

Für den Ursprung des Lebens sind mindestens drei Bedingungen erforderlich:

(a) Es muss einen Vorrat an Replikatoren gegeben haben, dh sich selbst produzierende Moleküle.

(b) Das Kopieren dieser Replikatoren muss durch Mutation fehlerhaft sein.

(c) Das System der Replikatoren muss eine kontinuierliche Versorgung mit freier Energie und eine teilweise Isolierung von der allgemeinen Umgebung erfordern.

Die hohe Temperatur in der frühen Erde hätte das Erfordernis der Mutation erfüllt.

Herkunft präbiotischer Moleküle:

Die dritte Bedingung, die teilweise Isolierung, wurde innerhalb von Aggregaten künstlich gebildeter präbiotischer Moleküle erreicht. Diese Aggregate werden Protobionten genannt, die Kombinationen von Molekülen von der Umgebung trennen können. Sie behalten eine interne Umgebung bei, können sich jedoch nicht reproduzieren. Zwei wichtige Protobionten sind Koazervate und Mikrokugeln.

Koazervate:

Oparin (1924) beobachtete, dass Koakervate gebildet werden, wenn eine Mischung aus einem großen Protein und einem Polysaccharid geschüttelt wird. Die Koazervate enthalten hauptsächlich Proteine, Polysaccharide und etwas Wasser. Oparins Koazervate zeigen auch eine einfache Form des Stoffwechsels. Da diese Koazervate keine äußeren Lipidmembranen haben, können sie sich nicht vermehren. Damit erfüllen sie nicht die Anforderung nach wahrscheinlichen Lebensvorläufern.

Mikrokugeln:

Wenn Gemische künstlich hergestellter organischer Verbindungen mit kaltem Wasser gemischt werden, bilden sich Mikrokugeln. Wenn das Gemisch Lipide enthält, besteht die Oberfläche der Mikrokügelchen aus einer Lipiddoppelschicht, die an die Lipiddoppelschicht der Zellmembranen erinnert (erinnert an vergangene Ereignisse). Sydney Fox (1950) erhitzte eine Mischung aus 18 Aminosäuren auf Temperaturen von 130 bis 180 ° C. Er erhielt stabile, proteinähnliche Makromoleküle, die er Protenoide nannte.

Als das Material der Schutzmagnete abgekühlt und unter dem Mikroskop untersucht wurde, beobachtete Fox kleine kugelförmige zellenartige Einheiten, die aus Aggregationen von Protenoiden entstanden waren. Diese molekularen Aggregate wurden als Mikrospektomie bezeichnet. Die ersten nicht zellularen Lebensformen könnten vor drei Milliarden Jahren entstanden sein. Es wären riesige Moleküle (RNA, Proteine ​​und Polysaccharide usw.).

Physikalische Eigenschaften von Mikrokügelchen

Sie waren kugelförmig mikroskopisch mit etwa 1 bis 2 (Durchmesser im Durchmesser, ähnlich der Größe und Form von Coccoiden).

Strukturelle Eigenschaften von Mikrokügelchen mit Schutzmagneten:

Unter einem Elektronenmikroskop wurden konzentrische Doppelschichtgrenzen um sie herum beobachtet, durch die eine Materialdiffusion auftritt. Sie haben die Fähigkeit der Motilität, des Wachstums, der binären Spaltung in zwei Teilchen und die Fähigkeit der Fortpflanzung durch Sprossung und Fragmentierung. Ihr Aufblühen ähnelt oberflächlich denen von Bakterien und Pilzen.

Enzymähnliche Aktivitäten von Mikromagnetkügelchen:

Es wurde gefunden, dass sie eine katalytische Aktivität aufweisen, wie z. B. den Abbau von Glucose. Diese enzymatische Aktivität der Mikromagnetkügelchen geht beim Erhitzen teilweise verloren.

Der Hauptnachteil bei den Mikrokügelchen besteht darin, dass sie nur eine begrenzte Vielfalt aufweisen. Der Mechanismus der partiellen Isolation, der zum Ursprung von Protobionten führt, bleibt daher ungelöst.

Da sowohl Protein- als auch Nukleinsäuren (zusammen mit anderen einfacheren Substanzen) zur Entwicklung und Reproduktion der heute lebenden Organismen benötigt werden, ist die naheliegende Frage, welche dieser Substanzen zuerst entstanden ist. Es gibt keine klare Antwort dafür.

RNA erstes Modell:

In den letzten Jahren sprechen Beweise dafür, dass RNA Material des zuerst gebildeten Gens ist (Woese 1967, Crick 1968, Orgel 1973, 1986 Watson et al. 1986, Darnell et al. 1986). Daher war RNA möglicherweise das erste Polymer und eine Form der reversen Transkription hat möglicherweise zu DNA und RBA geführt, und die DNA begann mit der Kontrolle der Proteinsynthese.

Warum war RNA und nicht DNA das erste lebende Molekül?

Enzymatische Aktivitäten von RNA-Molekülen werden ständig entdeckt, aber DNA wurde bisher nie eine enzymatische Aktivität zugeschrieben. Außerdem wird Ribose unter stimulierten präbiotischen Bedingungen viel leichter als Desoxyribose synthetisiert. Ein selektiv vorteilhaftes RNA-Molekül würde eines sein, das die Synthese von Protein steuert, das die Replikation bestimmter RNA (dh RNA-Polymerase) beschleunigt.

RNAs hätten die Bildung lipidartiger Moleküle katalysieren können, die wiederum Plasmamembran und Proteine ​​gebildet haben könnten. Möglicherweise haben die Proteine ​​die meisten enzymatischen Funktionen übernommen, weil sie bessere Katalysatoren als RNAs sind. Wenn die ersten Zellen RNA als Erbmolekül verwendeten, entwickelte sich DNA aus einer RNA-Matrize. Sobald sich Zellen entwickelt hatten, ersetzte DNA in den meisten Organismen wahrscheinlich RNA.

Bildung der frühesten Zellen:

(i) Die ersten lebenden Organismen stammen aus organischen Molekülen und in einer sauerstofffreien Atmosphäre (reduzierende Atmosphäre). Sie erhielten vermutlich durch die Fermentation einiger dieser organischen Moleküle Energie. Es waren Anaerobier, die in der Lage waren, unter Ausschluss von Sauerstoff zu atmen. Sie waren abhängig von den vorhandenen organischen Molekülen für ihre Ernährung und waren daher heterotrophs.

(ii) Wenn der Vorrat an vorhandenen organischen Molekülen erschöpft ist, haben sich einige der Heterotrophen möglicherweise zu Autotrophen entwickelt. Diese Organismen waren in der Lage, ihre eigenen organischen Moleküle durch Chemosynthese oder Photosynthese herzustellen.

(a) Chemosynthese:

Die Organismen, die die Chemosynthese durchführen, werden Chemoautotrophe genannt. Sie waren anaerob. Chemoautotrophs entwickelte die Fähigkeit, organische Moleküle aus anorganischen Rohstoffen zu synthetisieren. Eine solche Art der Ernährung ist bereits jetzt in einigen Bakterien vorhanden, z. B. in Schwefelbakterien, Eisenbakterien und nitrifizierenden Bakterien.

(b) Photosynthese:

Die photosynthetischen Organismen, die Photoautotrophen, entwickelten das Pigment Chlorophyll durch Kombination einfacher Chemikalien. Sie bereiteten Bio-Lebensmittel mit Sonnenenergie zu, die mit Hilfe von Chlorophyll gewonnen wurde. Ihnen fehlten die biochemischen Wege, um Sauerstoff zu produzieren. Sie waren noch anaerob und verwendeten Wasserstoff aus anderen Quellen als Wasser.

Später entwickelten sich sauerstoffabgebende photosynthetische Organismen. Diese waren den vorhandenen Blaualgen (Cyanobakterien) ähnlich. Sie nutzten Wasser, um Wasserstoff zu gewinnen und Sauerstoff freizusetzen. Die Zugabe von O ₂ zur Atmosphäre begann, das Methan und Ammoniak zu oxidieren, das zu verschwinden begann.

CH ₄ + 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O

4NH ₃ + 3O ₂ → 2N ₂ + 6H ₂ O

Das Leben war vor etwa 3, 9 Milliarden Jahren auf der Erde präsent. Die ältesten bisher entdeckten Mikrofossilien sind die photosynthetischen Cyanobakterien, die vor 3, 3 bis 3, 5 Milliarden Jahren auftauchten.

Bildung der Ozonschicht:

Da sich Sauerstoff in der Atmosphäre ansammelte, wandelte das ultraviolette Licht etwas Tifoxygen in Ozon um.

2O ₂ + O ₂ → 2O ₃

Das Ozon bildete eine Schicht in der Atmosphäre, die das ultraviolette Licht blockierte und das sichtbare Licht als Hauptenergiequelle hinterließ.

Herkunft der eukaryotischen Zellen (echte Kernzellen):

Durch die aerobe Atmung wurde in der primitiven Atmosphäre ausreichend Sauerstoff entwickelt. Die Prokaryoten modifizierten sich allmählich, um sich den neuen Bedingungen anzupassen. Sie entwickelten einen echten Kern und andere spezialisierte Zellorganellen. So entstanden im Ancierit-Ozean vermutlich vor etwa 1, 5 Milliarden Jahren frei lebende eukaryotische zellartige Organismen. Primitive Eukaryoten führten zur Entwicklung von Protisten, Pflanzen, Pilzen und Tieren.

Zusammenfassung der wichtigsten Schritte im Ursprung des Lebens gemäß der modernen Herkunftstheorie.