Ursprung des Lebens: Chemische Evolution, Entstehung des primitiven Lebens und seiner Evolution

Ursprung des Lebens :: A. Chemogenie (chemische Evolution) B. Biogenie (Entstehung eines primitiven Lebens) C. Kognogenese (Natur des primitiven Lebens und seiner Evolution).

Die moderne Herkunftstheorie des Lebens wurde von einem russischen Biochemiker, Alexander I. Oparin (1923 n. Chr.) Vorgeschlagen und wurde von dem britischen Wissenschaftler JBS Haldane (1928 n. Chr.) Unterstützt, so dass er auch Oparin-Haldane-Theorie genannt wird.

Es stellte fest, dass das primitive Leben in den Wasserkörpern auf der primitiven Erde aus nichtlebenden organischen Molekülen (z. B. RNA-Proteinen usw.) durch chemische Evolution durch eine Reihe chemischer Reaktionen vor etwa 4 Milliarden Jahren (in der präkambrischen Zeit) entstand ( dh etwa 500 Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde. Es ist die befriedigendste Theorie, weil sie eine wissenschaftliche Erklärung hat und experimentell getestet wurde. Oparins Theorie ist auch als primäre Abiogenese bekannt.

Verschiedene Schritte der modernen Theorie sind:

A. Chemogenie (chemische Evolution):

(a) Die Bedingungen auf der primitiven Erde vor etwa 4 Milliarden Jahren waren solche, die die chemische Entwicklung begünstigten. Wenn die Oberflächentemperatur der Erde weniger als 100 ° C betrug. Seine Atmosphäre hatte Stickstoff in Form von Ammorua (-NH 3 ), Kohlenstoff in Form von Methan (-CH 4 ) und Sauerstoff in Form von Wasserdämpfen (H 2 O), aber es gab keinen freien Sauerstoff, so dass die primitive Atmosphäre war "Reduzieren". Diese Verbindungen wurden protoplasmatische Verbindungen genannt.

(b) Als die Erde abkühlte, entwickelte sich eine feste Kruste, die später Vertiefungen und Erhebungen bildete. In der Zwischenzeit kondensierten die atmosphärischen Wasserdämpfe und kamen schließlich als Regen an die Oberfläche. Wasser sammelte sich in den Vertiefungen, löste die Mineralien wie Chlorid und Phosphate auf und bildete schließlich große Gewässer, die als Ozeane bezeichnet wurden.

(c) Bildung einfacher organischer Verbindungen:

Bei Abkühlung der Erdoberfläche auf 50 bis 60 ° C wurden die in Gewässern vorhandenen Moleküle und Mineralien durch Kondensations-, Polymerisations- und Oxidationsprozesse zu verschiedenen organischen Verbindungen kombiniert und rekombiniert, um einfache organische Verbindungen wie Alkohole, Aldehyde, Glycerin und Fettsäuren zu bilden, Purine, Pyrimidine, einfache Zucker (z. B. Ribose, Desoxyribose, Glukose usw.) und Aminosäuren.

Diese organischen Verbindungen reicherten sich in den Wasserkörpern an, da ihr Abbau in Abwesenheit von Verbraucher- oder Enzymkatalysatoren oder in Abwesenheit von Sauerstoff sehr langsam war. Eine solche Umwandlung ist in der gegenwärtigen oxidierenden Atmosphäre nicht möglich, da Sauerstoff- oder Mikrokonsumenten die lebenden Teilchen zersetzen oder zerstören, die zufällig entstehen können.

Die Energie für diese photochemischen Reaktionen wurde durch einen der folgenden Faktoren bereitgestellt:

(i) Vulkanausbrüche (intensive trockene Hitze der Erde),

(ii) Sonnenstrahlen (UV-Strahlen)

(iii) während eines Blitzes erzeugte elektrische Energie und

(iv) Zerfall radioaktiver Elemente.

Haldane schlug vor, dass sich diese einfachen organischen Verbindungen allmählich in diesen Wasserkörpern ansammelten und schließlich eine "heiße dünne Suppe" oder "präbiotische Suppe" oder Brühe gebildet wurde. Damit waren die Voraussetzungen für verschiedene chemische Reaktionen geschaffen.

(d) Bildung komplexer organischer Verbindungen:

Einfache organische Verbindungen zeigten zufällige chemische Reaktionen und Polymerisationen, um schließlich komplexe organische Verbindungen wie Polysaccharide, Fette, Nukleotide, Nukleinsäuren, Polypeptide usw. zu bilden.

Hauptenergiequellen für die chemischen Reaktionen und die Bildung von Polymeren waren: elektrische Entladung, Blitzschlag, Sonnenenergie, ATP und Pyrophosphate. Das Verdampfen von Wasser führte zu einer Konzentration von Monomeren und begünstigte die Polymerisation.

Diese Polymere waren stabiler, so dass diese in den Wasserkörpern dominierten. Eine hohe Konzentration an Polymeren verlagerte das chemische Gleichgewicht in Richtung der Bildung stabiler Polymere aus instabilen Monomeren.

(e) Bildung von Protobionten

Für den Ursprung des Lebens müssen folgende drei Bedingungen erfüllt sein:

(i) Es muss ein kontinuierlicher Vorrat an selbst produzierenden Molekülen, sogenannten Replikatoren, vorhanden sein.

(ii) Das Kopieren dieser Replikatoren muss einer Mutation (Änderung) unterzogen worden sein.

(iii) Das System der Replikatoren muss fortlaufend mit freier Energie versorgt werden und teilweise von der allgemeinen Umgebung isoliert werden.

Hauptverantwortlich für Mutationen in den Replikatoren (präbiotische Moleküle) waren wahrscheinlich thermische Bewegungen, die durch hohe Temperatur induziert wurden, während die teilweise Isolierung in ihren Aggregaten erreicht wurde. Oparin und Sydney Fox schlugen vor, dass komplexe organische Verbindungen, die auf der primitiven Erde abiogenetisch synthetisiert wurden, sich später ansammelten und große kolloidale, zellähnliche Aggregate bildeten, die Protobionten genannt wurden.

Diese ersten nicht zellularen Lebensformen sind wahrscheinlich vor 3 Milliarden Jahren entstanden. Diese hätten riesige Moleküle, die RNA, Protein, Polysaccharide usw. enthalten. Diese Aggregate können Kombinationen von Molekülen von der Umgebung trennen und eine innere Umgebung aufrechterhalten.

Ihr Hauptnachteil war jedoch, dass sie sich nicht reproduzieren konnten. Diese mikroskopischen, kugelförmigen, stabilen und beweglichen Aggregate wurden von Oparin als Koazervate (L. acervus = pile - Abb. 7.4) und von Sydney Fox als Mikrokugeln bezeichnet.

Da diese Koazervate keine Lipid-Außenmembran haben und sich nicht vermehren können, erfüllen sie nicht die Anforderungen als Kandidat für wahrscheinliche Vorläufer des Lebens. Mikrokügelchen wurden erfolgreich und vervielfachten sich, da diese die Kraft des Wachstums und der Spaltung hatten (Knospung, Fragmentierung und binäre Spaltung - Abb. 7.5).

B. Biogenie (Bildung des primitiven Lebens):

Da die Zellphysiologie das Ergebnis enzymatischer Aktivität ist, müssen sich die Enzyme vor den Zellen entwickelt haben. Allmählich wurden die Genaggregate von einem komplexen Enzymsystem umgeben, das das Zytoplasma bildete. Diese Enzyme könnten die Stickstoffbasen, einfachen Zucker und Phosphate zu den Nukleotiden kombiniert haben.

Nukleotide könnten sich zu einer Nukleinsäure zusammengeschlossen haben, die die Biomoleküle zu sein scheinen, die die Bedingung der Versorgung mit Replikatoren im Ursprung des Lebens erfüllen.

Derzeit arbeitet die Molekularbiologie nach dem Prinzip des zentralen Dogmas, das besagt, dass der Fluss genetischer Informationen unidirektional ist und wie folgt dargestellt wird:

DNA (Transkription) → RNA (Translation) → Protein

(Mit genetischer Information) (Mit genetischer Botschaft)

Dieser Mechanismus hat sich wahrscheinlich aus einem viel einfacheren Mechanismus entwickelt.

Nukleinsäure und Proteine ​​(Enzyme) sind zwei voneinander abhängige Biomoleküle. Proteine ​​werden durch ein Verfahren synthetisiert, das mit der Transkription von Informationen von DNA zu mRNA beginnt, gefolgt von einer Translation an den Ribosomen, während Nukleinsäuren für ihre Replikation von den proteinartigen Enzymen abhängen.

Daher bilden Proteine ​​und Nukleinsäuren zwei chemische Hauptverbindungen des Lebens. Die Proteinoid-Theorie besagt, dass sich Proteinmoleküle zuerst entwickelt haben, während die Hypothese für Nacktgene besagt, dass Nukleinsäure zuerst entstand und die Bildung von Proteinen kontrollierte.

Die In-vitro-Synthese eines RNA-Moleküls aus 77 Ribonukleotiden durch HG Khorana (1970) führte zu Spekulationen, dass wahrscheinlich RNA und nicht DNA das genetische Urmaterial war. Diese Ansicht wurde ferner durch die Entdeckung bestimmter Ribozyme (RNA-Moleküle mit enzymatischen Eigenschaften) gestützt.

Die neueste Ansicht ist also, dass zuerst Zellen RNA als Erbmaterial verwendeten und später DNA aus einer RNA-Matrize erst entwickelte, als das RNA-basierte Leben in Membranen eingeschlossen wurde. Schließlich ersetzte DNA RNA als genetisches Material für die meisten Organismen. Einige zufällige Assoziationen von Proteinen, Purinen, Pyrimidinen und anderen organischen Verbindungen könnten zu einem System geführt haben, das sich reproduzieren könnte.

Eine dünne Begrenzungsmembran wurde um das Cytoplasma herum entwickelt, indem eine Monolage von Phospholipiden unter Bildung einer Zellmembran gefaltet wurde. Es ist daher möglich, dass erste Zellen auf die gleiche Weise entstanden sind wie Koazervate in primitiven Wasserkörpern. Die ersten "zellenartigen" Strukturen mit Teilungskraft wurden "Eobionts" oder "Pre-Cell" genannt. Solche ersten zellulären Lebensformen entstanden vor etwa 2.000 Millionen Jahren.

Diese waren vielleicht ähnlich wie Mykoplasmen, aus denen Monerans (Zellen ohne definierten Kern) und Protistans (Zellen mit ausgeprägtem Kern) hervorgingen. Die Monera enthielt Prokaryoten wie Bakterien und Cyanobakterien. Die Protista führte zu Eukaryoten, die sich zu Protozoen, Metazoa und Metaphyta entwickelten. Dieser frühe einzellige gemeinsame Vorfahre von Archaebakterien, Eubakterien und Eukaryoten wurde als Vorläufer bezeichnet.

Experimenteller Nachweis einer abiogenen molekularen Evolution des Lebens:

Stanley L. Miller (Abb. 7.8) (ein Biochemiker) und Harold C. Urey (ein Astronom) bewiesen 1953 n. Chr. Experimentell die Bildung einfacher organischer Verbindungen aus einfacheren Verbindungen unter reduzierenden Bedingungen (Abb. 7.9).

Es heißt Simulationsexperiment. Ziel war es, die Gültigkeit der Behauptung von Oparin und Haldane für den Ursprung organischer Moleküle im Urzustand der Erde zu bewerten. Sie unterworfen eine Methan-Ammoniak-Wasserstoff-Wasser-Mischung (simulierte Uratmosphäre) etwa eine Woche lang über einen elektrischen Funken (von etwa 75.000 Volt, der das Aufhellen primitiver Erde simulierte und eine Temperatur von etwa 800 ° C aufwies) zwischen zwei Wolframelektroden in eine Gaskammer (Funkenentladungsvorrichtung genannt), die unter reduzierenden Bedingungen angeordnet ist.

Methan, Ammoniak und Wasserstoff wurden im Verhältnis 2: 2: 1 aufgenommen. Sie führten die heißen Produkte durch einen Kühler (zur Kondensation und Sammlung von wässrigem Endprodukt,

Entspricht Haldanes Suppe).

Das Kontrollversuch enthielt alle Anforderungen außer der Energiequelle. Nach achtzehn Tagen analysierten sie die chemischen Verbindungen durch chromatographische und colorimetrische Methoden. Sie fanden viele Aminosäuren (Glycin, Alanin, Asparaginsäure, Glutaminsäure usw.), Peptide, Purine, Pyrimidine und organische Säuren.

Diese Purine und Pyrimidine fungierten als Vorläufer von Nukleinsäuren. Diese Aminosäuren sind essentiell für die Bildung von Proteinen. Als Zwischenprodukte wurden Aldehyde und HCN gefunden. Im Kontrollexperiment wurde eine unbedeutende Menge organischer Moleküle festgestellt.

Die Analyse des Meteoritengehalts ergab auch ähnliche Verbindungen, die auf andere Prozesse im Weltraum schließen lassen.

Experimenteller Nachweis der Bildung komplexer organischer Verbindungen:

Sydney W. Fox (1957 n. Chr.) Berichtete, dass, wenn eine Mischung aus 18 bis 20 Aminosäuren mehrere Stunden auf den Siedepunkt (160 bis 210 ° C) erhitzt und dann in Wasser abgekühlt wird, viele Aminosäuren polymerisiert und Polypeptidketten gebildet haben. Proteinoide genannt.

Fox erklärte, dass diese Proteinoide mit Wasser die Kolloidaggregate bildeten, die Koazervaten oder Mikrokügelchen genannt wurden (Abb. 7.10). Diese hatten einen Durchmesser von etwa 1-2 um und waren in Form und Größe den Kokkenbakterien ähnlich.

Dies könnte dazu führen, dass sich die Keimbildung in Bakterien und Pilzen (Hefe) oberflächlich ähnelt. Er berichtete auch über die Bildung von Porphyrinen, Nukleotiden und ATP aus anorganischen Verbindungen und HCN.

Bildung komplexer Aggregate:

Oparin berichtete, dass Koazervate gebildet werden, wenn eine Mischung aus einem großen Protein und einem Polysaccharid geschüttelt wird. Der Kern dieser Koazervate bestand hauptsächlich aus Protein, Polysaccharid und etwas Wasser und wurde teilweise aus der umgebenden wässrigen Lösung mit einer geringeren Menge an Proteinen und Polysacchariden isoliert. Diese Koazervate haben jedoch keine äußere Lipidmembran und konnten sich nicht reproduzieren.

C. Kognogenese (Natur des primitiven Lebens und seiner Entwicklung):

Der natürliche Abschnitt war bereits zum Zeitpunkt der Entstehung des Lebens in Betrieb. Die fortlaufende Auswahl erfolgreicher Eobionten in Verbindung mit der Perfektionierung des Membransystems führte wahrscheinlich zur Bildung der ersten Zelle.

Die frühesten Zellen waren anaerob (durch Fermentation einiger organischer Moleküle erhaltener Energie, da kein Sauerstoff verfügbar war), prokaryotisch (mit Nukleoid wie bei Bakterien) und chemoheterotrophisch (aus fertigen organischen Molekülen gewonnenes Fertigprodukt).

Diese fingen an, aus den primitiven Meeren nährende organische Verbindungen als Bausteine ​​und Energiequellen zu gewinnen. Also wuchsen diese Zellen enorm an. Um ihre Größe einzuschränken, begannen die Chemoheterotrophen mit der Zellmitose und erhöhten so ihre Anzahl.

Einige der Chemoheterotrophen entwickelten sich zu anaeroben, prokaryotischen und chemoautotropen Verbindungen, um der Abnahme von organischen Verbindungen entgegenzuwirken. Diese fingen an, ihre eigene organische Nahrung aus anorganischen Verbindungen in Gegenwart von chemischer Energie (auch durch Abbau anorganischer Verbindungen) und Enzymen, z. B. sulfatreduzierenden Bakterien, nitrifizierenden Bakterien, Eisenbakterien usw., zu synthetisieren. Die Hauptkraft für diese Art von Evolution wurde vorgeschlagen von Mutationen sein

Angesichts des Problems des zunehmenden Mangels an anorganischen Verbindungen entwickelten einige der Chemoautotrophen Porphyrine und Bacteriochlorophyll (grünes photosynthetisches Pigment) und begannen mit der Photosynthese (Synthese von Kohlenhydraten). Dies führte zur Entwicklung von anaeroben, prokaryotischen und photoautotrophen. Diese haben sich vor etwa 3500-3800 Millionen Jahren entwickelt.

Die ersten Photoautotrophen waren anoxygenisch, da bei der Photosynthese kein Wasser als Ausgangsmaterial verwendet wurde. Später entwickelten sie echtes Chlorophyll und begannen, Wasser als Reagenz zu verwenden, so dass O 2 im Prozess der Photosynthese entwickelt wurde. Die ersten sauerstoffhaltigen und aeroben Photoautotrophen waren Cyanobakterien, von denen angenommen wird, dass sie sich vor etwa 3.300 bis 3.500 Millionen Jahren entwickeln.

In ähnlicher Weise berichtete JW Schopf (1967) das Vorhandensein von 22 Aminosäuren in einem 3000 Millionen alten Gestein, während das älteste Mikro-Fossil zu Blaualgen gehört, nämlich Archaespheroids barbertonensis vor etwa 3, 3 bis 3, 5 Milliarden Jahren.

Über lange Zeit waren Bakterien, Schimmelpilze und Cyanobakterien die vorherrschenden und vielleicht einzigen Lebensformen der Erde. Nach und nach entwickelten sich blau-grüne Algen zu anderen Algenformen. Es wird geschätzt, dass sich Eukaryoten vor etwa 1600 Millionen Jahren entwickelten.

Erste Eukaryoten entwickelten sich entweder durch Mutationen in Prokaryoten (Raff und Mahler, 1972) oder durch symbiotische Assoziation verschiedener Prokaryoten (Marguilis, 1970). Später wurden viele Arten von Algen, Pilzen, Protozoen und anderen lebenden Organismen entwickelt.