Ursprung des Lebens: Moderne Theorie des Ursprungs des Lebens

Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über die moderne Theorie zu erfahren, die auch als Oparin-Haldane-Theorie des Ursprungs des Lebens bekannt ist!

Moderne Theorie oder Oparin-Haldane-Theorie des Ursprungs des Lebens:

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 interagierten, um alle Arten von Makromolekülen zu erzeugen, die sich zum ersten lebenden System oder zu Zellen bildeten.

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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. AI Oparin (1894-1980) war ein russischer Wissenschaftler. Er veröffentlichte 1936 sein Buch "Der Ursprung des Lebens" und 1938 eine englische Ausgabe. JBS Haldane (1892-1964) wurde in England geboren, wanderte jedoch im Juli 1957 nach Indien aus und ließ sich in Bhubaneswar, Orissa, nieder. Er war Biologe, Biochemiker und Genetiker. Sowohl Oparin (1938) als auch Haldane (1929) äußerten sich hinsichtlich des Ursprungs des Lebens ähnlich.

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

A. Chemische Evolution (Chemogenie):

1. Die Atomphase:

Die frühe Erde hatte unzählige 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.

2. Bildung anorganischer Moleküle

Freie Atome kombiniert, um anorganische Moleküle zu bilden, wie H ₂ (Wasserstoff), N ₂ (Stickstoff), H ₂ 0 (Wasserdampf), CH ₄ (Methan), NH ₃ (Ammoniak), C0 ₂ (Kohlendioxid). 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 Moleküle der primitiven Erde.

3. Bildung einfacher organischer Moleküle (Monomere):

Die frühen anorganischen Moleküle interagierten und erzeugten einfache organische Moleküle wie einfache Zucker (z. B. Ribose, Desoxyribose, Glukose usw.), stickstoffhaltige Basen (z. B. Purine, Pyrimidine), Aminosäuren, Glycerin, Fettsäuren usw.

Starke Regenfälle 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.

CH ₄ + C0 ₂ + H ₂ 0 -> Zucker + Glycerol + Fettsäuren

CH ₄ + HCN + NH ₃ + H ₂ 0 -> Purine + Pyrimidine

CH ₄ + NH ₃ + C0 ₂ + H ₂ 0 -> Aminosäuren

Einige externe Quellen müssen auf die Mischung für Reaktionen reagiert haben. 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.

Eine Suppenbrühe mit chemischen Stoffen, die in Ozeanen der frühen Erde gebildet wurden und aus der man glaubte, dass lebende Zellen aufgetaucht sind, wurde von JB Haldane (1920) als "präbiotische Suppe" (auch "heiße verdünnte Suppe") bezeichnet. 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, der damals 1953 an der University of Chicago promovierte Student von Harold Urey (1893-1981) war, zeigte eindeutig, dass ultraviolette Strahlung oder elektrische Entladungen oder Wärme oder eine Kombination davon komplexe organische Verbindungen aus einem Zellstoff bilden können Gemisch aus Methan, Ammoniak, Wasser (Wasserstrahl) und Wasserstoff. Das Verhältnis von Methan, Ammoniak und Wasserstoff in Millers Experiment betrug 2: 1: 2.

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 führte das Experiment durch, um die Idee zu testen, dass organische Moleküle in einer reduzierenden Umgebung synthetisiert werden könnten.

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 große Vielfalt organischer Verbindungen synthetisiert, darunter Purine, Pyrimidine und einfache Zucker usw. Es wird davon ausgegangen, dass sich die wesentlichen "Bausteine" wie Nukleotide, Aminosäuren usw. von lebenden Organismen auf dem Organismus gebildet haben könnten primitive Erde.

4. Bildung komplexer organischer Moleküle (Makromoleküle):

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 von der University of Miami hat gezeigt, dass Polypeptidmoleküle synthetisiert werden, wenn eine nahezu trockene Mischung von Aminosäuren 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.

Zucker + Zucker -> Polysaccharide

Fettsäuren + Glycerin -> Fette

Aminosäuren + Aminosäuren -> Proteine

Stickstoffhaltige Basen + Pentose-Zucker + Phosphate -> Nukleotide

Nukleotide + Nukleotide -> Nukleinsäuren

Welches war die erste RNA oder Protein?

Die erste Hypothese der RNA:

In den frühen achtziger Jahren schlugen drei Wissenschaftler (Leslia orgel, Francis Crick und Carl Woese) unabhängig voneinander die RNA World als ersten Schritt in der Evolution des Lebens vor, in dem RNA alle für das Überleben und die Replikation notwendigen Moleküle katalysierte. Thomas Ceck und Sidney Altman teilten 1989 den Nobelpreis für Chemie, weil sie entdeckten, dass RNA sowohl Substrat als auch Enzym sein kann.

Wenn die ersten Zellen RNA als Erbmolekül verwendeten, entwickelte sich DNA aus einer RNA-Matrize. Die DNA entwickelte sich wahrscheinlich nicht als erbliches Molekül, wenn das Leben auf RNA-Basis in der Membran eingeschlossen wurde. Sobald sich Zellen entwickelt hatten, ersetzte die DNA wahrscheinlich RNA als genetischen Code für die meisten Organismen.

Die erste Hypothese des Proteins:

Eine Anzahl von Autoren (zum Beispiel Sidney Fox, 1978) behauptete, dass sich ein proteinkatalytisches System vor einem Nukleinsäurereplikationssystem entwickelt haben muss. Sidney Fox hatte gezeigt, dass Aminosäuren abiotisch polymerisiert werden, wenn sie trockener Hitze ausgesetzt werden, um Proteinoide zu bilden.

Cairns-Smiths Hypothese:

Es wurde von Graham Caims-Smith vorgeschlagen, wonach sowohl Proteine ​​als auch RNA gleichzeitig entstanden sind.

Bildung von Nukleoproteinen:

Die riesigen Nukleoproteinmoleküle wurden durch die Vereinigung von Nukleinsäure- und Proteinmolekülen gebildet. Diese Nukleoproteinpartikel wurden als frei lebende Gene beschrieben. Nukleoproteine ​​gaben höchstwahrscheinlich das erste Lebenszeichen.

B. Biologische Evolution (Biogenese):

Bedingungen für den Ursprung des Lebens:

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.

1. Protobionten oder Protozellen:

Dies sind mindestens zwei Arten von relativ einfachen, im Labor hergestellten Strukturen - Oparins Koazervate und Fox-Mikrokugeln, die einige der grundlegenden Voraussetzungen für Protozellen besitzen.

Obwohl diese Strukturen künstlich geschaffen wurden, deuten sie auf die Wahrscheinlichkeit hin, dass nicht-biologische Membraneinschließungen (Protozellen) zumindest kurze Zeit reaktive Systeme aufrechterhalten konnten, und führten zur Erforschung der experimentellen Produktion von Membran-gebundenen Vesikeln mit Molekülen, dh Molekülen Protozellen.

(i) Koazervate

Die erste Hypothese wurde von Oparin (1920) vorgeschlagen. Nach dieser Hypothese könnte die frühe Protozelle ein Koazervat sein. Oparin gab den Begriff Koazervate an. Dies waren nicht lebende Strukturen, die zur Bildung der ersten lebenden Zellen führten, aus denen sich heute die komplexeren Zellen entwickelt haben.

Oparin vermutete, dass eine Protozelle aus Kohlenhydraten, Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren bestand, die sich zu einem Koazervat ansammelten. Eine solche Struktur könnte aus einer Ansammlung organischer Makromoleküle bestehen, die von einem Film aus Wassermolekülen umgeben sind.

Diese Anordnung von Wassermolekülen, obwohl keine Membran, könnte als physikalische Barriere zwischen den organischen Molekülen und ihrer Umgebung fungiert haben. Sie könnten Materialien aus ihrer Umgebung selektiv aufnehmen und in ihre Struktur integrieren.

Koazervate wurden im Labor synthetisiert. Sie können gezielt Chemikalien aus dem umgebenden Wasser aufnehmen und in ihre Struktur einbauen. Einige Koazervate enthalten Enzyme, die eine bestimmte Art chemischer Reaktionen steuern.

Weil ihnen eine bestimmte Membran fehlt, behauptet niemand, dass Koazervate leben, aber sie zeigen einige lebhafte Charaktere. Sie haben eine einfache, aber beständige Organisation. Sie können für längere Zeit in Lösung bleiben. Sie haben die Fähigkeit, sich zu vergrößern.

(ii) Mikrokugeln:

Eine andere Hypothese ist, dass die frühe Protozelle eine Mikrosphäre gewesen sein könnte. Eine Mikrokugel ist eine nicht lebende Ansammlung organischer Makromoleküle mit einer doppelten Außenschicht. Der Begriff Mikrosphäre wurde von Sydney Fox (1958-1964) gegeben.

Sidney Fox zeigte die Fähigkeit, Mikrokügelchen aus Proteinoiden aufzubauen. Proteinoide sind proteinähnliche Strukturen, die aus verzweigten Aminosäureketten bestehen. Proteinoide werden durch Dehydratisierungssynthese von Aminosäuren bei einer Temperatur von 180 ° C gebildet. Fox von der University of Miami zeigte, dass es möglich ist, einzelne Aminosäuren zu Polymeren von Proteinoiden zu kombinieren. Er zeigte auch die Fähigkeit, Mikrokügelchen aus diesen Proteinoiden aufzubauen.

Fox beobachtete kleine kugelförmige zellenartige Einheiten, die durch Aggregationen von Proteinoiden entstanden waren. Diese Molekülaggregate wurden als Proteinoid-Mikrokugeln bezeichnet. Die ersten nicht zellularen Lebensformen könnten vor drei Milliarden Jahren entstanden sein. Das wären riesige Moleküle (RNA, Proteine, Polysaccharide usw.).

Mikrokugeln können gebildet werden, wenn Proteinoide in kochendes Wasser gegeben werden und langsam abkühlen lassen. Ein Teil des Proteinoidmaterials erzeugt eine Doppelgrenzstruktur, die die Mikrokugel einschließt. Obwohl diese Wände keine Lipide enthalten, weisen sie einige membranartige Eigenschaften auf und legen die Struktur einer Zellmembran nahe.

Mikrokugeln schwellen oder schrumpfen je nach osmotischem Potential in der umgebenden Lösung. Sie weisen auch eine Art innerer Bewegung (Streaming) auf, die der von Zellen gezeigten ähnlich ist, und enthält einige Proteinoide, die als Enzyme fungieren. Mit ATP als Energiequelle können Mikrokügelchen die Bildung von Polypeptiden und Nukleinsäuren steuern. Sie können Material aus dem umgebenden Medium aufnehmen.

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.

Nach Ansicht einiger Forscher können Mikrokugeln als erste lebende Zellen angesehen werden.

2. Herkunft der Prokaryoten:

Prokaryoten stammten vor etwa 3, 5 Milliarden Jahren aus Protozellen im Meer. Die Atmosphäre war anaerob, weil in der Atmosphäre kein freier Sauerstoff vorhanden war. Prokaryoten haben keine Kernmembran, kein Zytoskelett oder komplexe Organellen. Sie teilen sich durch binäre Spaltung. Einige der ältesten bekannten fossilen Zellen erscheinen als Teile von Stromatolithen. Stromatolithen werden heute aus Sedimenten und photosynthetischen Prokaryoten (hauptsächlich filamentöse Cynobakterien - blaue Grünalgen) gebildet.

3. Evolution der Ernährungsweisen:

(i) Heterotrophe:

Die ersten Prokaryoten erhielten vermutlich Energie durch Fermentation organischer Moleküle aus der Meeresbrühe in sauerstofffreier Atmosphäre (reduzierende Atmosphäre). Sie benötigten organisches Material als Nahrungsmittel und waren somit heterotrophs.

(ii) Autotrophe:

Aufgrund des schnellen Anstiegs der Anzahl der Heterotrophen begann der Nährstoff aus Meerwasser zu verschwinden und allmählich zu verbrauchen. Das führte zur Entwicklung von Autotrophen. Diese Organismen waren in der Lage, ihre eigenen organischen Moleküle durch Chemosynthese oder Photosynthese herzustellen.

(a) Chemoautotropie:

Die Temperatursenkung stoppte die Synthese organischer Moleküle im Meerwasser. Einige der frühen Prokaryoten wurden in Chemoautotrophe umgewandelt, in denen Bio-Lebensmittel unter Verwendung von Energie hergestellt wurden, die bei bestimmten anorganischen chemischen Reaktionen freigesetzt wurde. Diese anaeroben Chemoautotrophen waren wie anaerobe Bakterien. Sie haben CO ₂ in der Atmosphäre freigesetzt.

(b) Photoautotropen:

Durch die Entwicklung eines Chlorophyllmoleküls konnten bestimmte Protozellen Lichtenergie nutzen und Kohlenhydrate synthetisieren. Dies waren anaerobe Photoautotrophen. Sie verwendeten kein Wasser als Wasserstoffquelle. Sie waren den heutigen Schwefelbakterien ähnlich, in denen Schwefelwasserstoff in Wasserstoff und Schwefel gespalten wurde. Bei der Lebensmittelherstellung wurde Wasserstoff verwendet und Schwefel wurde als Abfallprodukt freigesetzt.

In aeroben Photoautotropen wurde Wasser als Quelle für Wasserstoff und Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle verwendet, um Kohlenhydrate in Gegenwart von Sonnenenergie zu synthetisieren. Die ersten aeroben Photoautotropen waren Cyanobakterien (Blaualgen), die Chlorophyll hatten. Sie haben Sauerstoff als Nebenprodukt der Photosynthese in der Atmosphäre freigesetzt. Die Hauptquelle der genetischen Variation war die Mutation.

Sauerstoff-Revolution:

Mit zunehmender Anzahl von Photoautotrophen wurde Sauerstoff im Meer und in der Atmosphäre freigesetzt. Freier Sauerstoff reagierte mit Methan und Ammoniak, die in der primitiven Atmosphäre vorhanden waren, und wandelte Methan und Ammoniak in Kohlendioxid und freien Stickstoff um.

CH ₄ + 20 _{2 -} > -> CO ₂ + 2H ₂ O

4NH ₃ + 3O _{2 -} > - 2N ₂ + 6H ₂ O

Das älteste Fossil der Blaualgen mit dem Namen Archaeospheroides barbertonensis ist 3, 2 Milliarden Jahre alt. Prokaryonten, die Sauerstoff abgeben, sind vor mindestens 2, 5 Milliarden Jahren aufgetaucht.

4. Bildung der Ozonschicht:

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

5. Herkunft der Eukaryoten:

Die Eukaryoten entwickelten sich vor etwa 1, 5 Milliarden Jahren aus primitiven prokaryotischen Zellen. Es gibt zwei Ansichten bezüglich der Herkunft von Eukaryoten.

(i) Symbiotischer Ursprung:

Nach Margulis (1970-1981) von der Boston University verschmolzen einige anaerobe Raubwirtszellen primitive aerobe Bakterien, verdauten sie jedoch nicht. Diese aeroben Bakterien etablierten sich in den Wirtszellen als Symbionten. Solche Räuberwirtszellen wurden die ersten eukaryotischen Zellen.

Die Raubtierwirtszellen, die aerobe Bakterien einnahmen, entwickelten sich zu Tierzellen, während diejenigen, die sowohl aerobe Bakterien als auch Blaugrünalgen einfangen, eukaryotische Pflanzenzellen wurden. Die aeroben Bakterien etablierten sich als Mitochondrien und Blaualgen als Chloroplasten.

(ii) Herkunft durch Invagination:

Nach dieser Ansicht könnten Zellorganellen von eukaryotischen Zellen durch Invagination der Oberflächenmembran primitiver prokaryotischer Zellen entstanden sein.