Origin of Life: Chemical Evolution, Formation of Primitive Life and it's Evolution

Origin of Life :: A. Chemogeny (Chemical Evolution) B. Biogeny (Formation of Primitive Life) C. Cognogeny (Nature of Primitive Life and its Evolution).

De moderne theorie van de oorsprong van het leven werd voorgesteld door een Russische biochemicus, Alexander I. Oparin (ADVERTENTIE 1923) en werd gesteund door een Britse wetenschapper, JBS Haldane (ADVERTENTIE 1928), zo wordt ook de theorie Oparin-Haldane genoemd.

Het verklaarde dat het primitieve leven afkomstig was van de waterlichamen op de primitieve aarde van niet-levende organische moleculen (bijv. RNA-eiwitten, enz.) Door chemische evolutie door een reeks chemische reacties ongeveer 4 miljard jaar geleden (in de Precambriaanse periode) ( dat wil zeggen ongeveer 500 miljoen jaar na de vorming van de aarde). Het is de meest bevredigende theorie omdat het een wetenschappelijke verklaring heeft en experimenteel is getest. De theorie van Oparin staat ook bekend als primaire abiogenese.

Verschillende stappen van de moderne theorie zijn:

A. Chemogeny (chemische evolutie):

(a) Omstandigheden op de primitieve aarde, ongeveer 4 miljard jaar geleden, waren zodanig dat de chemische evolutie bevorderd werd. Toen de oppervlaktetemperatuur van de aarde lager was dan 100 ° C. De atmosfeer had stikstof in de vorm van ammorua (-NH3), koolstof in de vorm van methaan (-CH4) en zuurstof in de vorm van waterdampen (H ₂ O) maar er was geen vrije zuurstof, dus de primitieve atmosfeer was “verminderen”. Deze verbindingen werden protoplasmische verbindingen genoemd.

(b) Toen de aarde afgekoeld was, ontwikkelde ze een stevige korst die later depressies en verhogingen vormde. Ondertussen condenseerden de atmosferische waterdampen en kwamen uiteindelijk aan de oppervlakte als regen. Water verzameld in de depressies, opgelost de mineralen zoals chloride en fosfaten en uiteindelijk gevormd grote waterlichamen genaamd oceanen.

(c) Vorming van eenvoudige organische verbindingen:

Terwijl het aardoppervlak tot 50-60 ° C werd gekoeld, combineerden moleculen en mineralen die in waterlichamen aanwezig waren op verschillende manieren door de processen van condensatie, polymerisatie en oxido-reductie om eenvoudige organische verbindingen zoals alcoholen, aldehyden, glycerol, vetzuren te vormen, purines, pyrimidines, eenvoudige suikers (bijv. ribose, deoxyribose, glucose, etc.) en aminozuren.

Deze organische verbindingen verzamelden zich in de waterlichamen omdat hun degradatie zeer langzaam was in de afwezigheid van enige consument of enzymkatalysatoren of afwezigheid van zuurstof. Een dergelijke transformatie is niet mogelijk in de huidige oxiderende atmosfeer omdat zuurstof of micro-consumenten de levende deeltjes die kunnen ontstaan ​​door louter toeval, zullen ontbinden of vernietigen.

De energie voor deze fotochemische reacties werd geleverd door een van de volgende factoren:

(i) vulkaanuitbarstingen (intense droge hitte van de aarde),

(ii) zonnestraling (UV-stralen),

(iii) Elektrische energie geproduceerd tijdens bliksem, en

(iv) Verval van radioactieve elementen.

Haldane stelde voor dat deze eenvoudige organische verbindingen zich geleidelijk ophopen in deze waterlichamen en uiteindelijk een "hete dunne soep" of "pre-biotische soep" of bouillon werd gevormd. Dit zette het podium voor verschillende chemische reacties.

(d) Vorming van complexe organische verbindingen:

Eenvoudige organische verbindingen toonden kans chemische reacties en polymerisatie om uiteindelijk complexe organische verbindingen zoals polysacchariden, vetten, nucleotiden, nucleïnezuren, polypeptiden enz. Te vormen.

Belangrijkste energiebronnen voor de chemische reacties en de vorming van polymeren waren: elektrische ontlading, bliksem, zonne-energie, ATP en pyrofosfaten. Verdamping van water leidde tot concentratie van monomeren en begunstigde polymerisatie.

Deze polymeren waren stabieler, dus deze domineerden in de waterlichamen. Hoge concentraties van polymeren verschoven het chemisch evenwicht naar de vorming van stabiele polymeren uit onstabiele monomeren.

(e) Vorming van protobionten:

Voor de oorsprong van het leven moet aan de volgende drie voorwaarden worden voldaan:

(i) Er moet een continue toevoer zijn van zelfproducerende moleculen, replicators genoemd.

(ii) Het kopiëren van deze replicators moet onderhevig zijn geweest aan mutatie (verandering).

(iii) Het systeem van replicators moet een voortdurende toevoer van vrije energie en hun gedeeltelijke isolatie van de algemene omgeving hebben vereist.

De belangrijkste factor die verantwoordelijk was voor mutaties in de replicatoren (prebiotische moleculen) was waarschijnlijk thermische bewegingen veroorzaakt door hoge temperaturen, terwijl de gedeeltelijke isolatie binnen hun aggregaten werd bereikt. Oparin en Sydney Fox stelden voor dat complexe organische verbindingen die abiogenetisch zijn gesynthetiseerd op de primitieve aarde later neigden te accumuleren en grote colloïdale celachtige aggregaten vormden die protobionts worden genoemd.

Dergelijke eerste niet-cellulaire vormen van leven zijn waarschijnlijk drie miljard jaar geleden ontstaan. Deze zouden gigantische moleculen bevatten die RNA, eiwit, polysacchariden enz. Bevatten. Deze aggregaten kunnen combinaties van moleculen van de omgeving scheiden en kunnen een interne omgeving handhaven.

Maar hun grootste nadeel was dat ze zich niet konden reproduceren. Deze microscopische, bolvormige, stabiele en beweeglijke aggregaten werden coacervaten (L. acervus = stapel - Fig. 7.4) door Oparin en microsferen door Sydney Fox genoemd.

Aangezien deze coacervaten geen buitenmembraan van de lipiden hebben en niet kunnen reproduceren, voldoen ze niet aan de vereisten als kandidaat van waarschijnlijke voorlopers van het leven. Microsferen werden succesvol en vermenigvuldigd omdat deze de kracht hadden van groei en deling (ontluiking, fragmentatie en binaire splitsing - Fig. 7.5).

B. Biogeny (formatie van primitief leven):

Omdat de cellulaire fysiologie het resultaat is van enzymatische activiteit, moeten de enzymen zich vóór de cellen hebben ontwikkeld. Geleidelijk werden de genaggregaten omgeven door een complex systeem van enzymen die het cytoplasma vormden. Deze enzymen kunnen de stikstofbasen, eenvoudige suikers en fosfaten in de nucleotiden hebben gecombineerd.

Nucleotiden kunnen zijn gecombineerd om nucleïnezuur te vormen dat de biomoleculen lijkt te zijn die voldoen aan de voorwaarde van levering van replicatoren in de oorsprong van het leven.

Momenteel werkt de moleculaire biologie volgens het principe van centraal dogma dat stelt dat de stroom van genetische informatie unidirectioneel is en wordt getoond zoals hieronder:

DNA (transcriptie) → RNA (vertaling) → Eiwit

(Met genetische informatie) (met genetische boodschap)

Dit mechanisme is waarschijnlijk geëvolueerd van een veel eenvoudiger mechanisme.

Nucleïnezuur en eiwitten (enzymen) zijn twee onderling afhankelijke biomoleculen. Eiwitten worden gesynthetiseerd door een proces dat begint met de transcriptie van informatie van DNA naar mRNA gevolgd door translatie op de ribosomen, terwijl nucleïnezuren afhankelijk zijn van de eiwitachtige enzymen voor hun replicatie.

Aldus vormen eiwitten en nucleïnezuren twee primaire chemische verbindingen van het leven. De Proteinoid-theorie stelt dat eiwitmoleculen het eerst evolueerden, terwijl de hypothese van naakt-genen stelt dat nucleïnezuur het eerst is ontstaan ​​en de vorming van eiwitten beheerste.

In vitro synthese van RNA-molecuul van 77 ribonucleotiden door HG Khorana (1970) gaf aanleiding tot speculatie dat waarschijnlijk RNA, en niet DNA, het primordiale genetische materiaal was. Dit standpunt werd verder ondersteund door de ontdekking van bepaalde Ribozymen (RNA-moleculen met enzymatische eigenschappen).

Dus de laatste opvatting is dat de eerste cellen RNA als hun erfelijke materiaal gebruikten en later DNA evolueerde van een RNA-sjabloon alleen wanneer RNA-gebaseerd leven in membranen werd ingesloten. Uiteindelijk verving DNA RNA als het genetische materiaal voor de meeste organismen. Een enkele kans van associatie van eiwitten, purines, pyrimidines en andere organische verbindingen kan aanleiding hebben gegeven tot een systeem dat zich zou kunnen voortplanten.

Een dun beperkend membraan werd rond het cytoplasma ontwikkeld door het vouwen van een monolaag van fosfolipiden om een ​​celmembraan te vormen. Het is dus mogelijk dat de eerste cellen op dezelfde manier ontstonden als coacervaten in primitieve waterlichamen. De eerste "celachtige" structuren met divisie kracht werden "eobionts" of "Pre-cel" genoemd. Zulke eerste cellulaire levensvormen ontstonden ongeveer 2000 miljoen jaar geleden.

Deze waren misschien vergelijkbaar met Mycoplasma die aanleiding gaven tot Monerans (cellen zonder een goed gedefinieerde nucleus) en Protistans (cellen met verschillende nucleus). De Monera omvatte Prokaryoten zoals bacteriën en cyanobacteriën. De Protista gaf aanleiding tot Eukaryoten die evolueerden naar Protozoa, Metazoa en Metaphyta. Deze vroege eencellige gemeenschappelijke voorouder van archaebacteria, eubacteria en eukaryoten werd progenoot genoemd.

Experimenteel bewijs van de Abiogenic Molecular Evolution of Life:

In 1953 bewezen Stanley L. Miller (afb. 7.8) (een biochemicus) en Harold C. Urey (een astronoom) experimenteel de vorming van eenvoudige organische verbindingen uit eenvoudigere verbindingen onder reducerende omstandigheden (figuur 7.9).

Dit wordt een simulatie-experiment genoemd. Het was gericht op het beoordelen van de validiteit van de bewering van Oparin en Haldane voor de oorsprong van organische moleculen in de toestand van de oeraarde. Ze onderwierpen methaan-ammoniak-waterstof-water-mengsel (simulatie van de oeratmosfeer) gedurende ongeveer een week over een elektrische vonk (van ongeveer 75.000 volt die de verlichting van primitieve aarde simuleerde en een temperatuur van ongeveer 800 ° C opleverde) tussen twee wolfraamelektroden in een gaskamer (vonkontladingsapparaat genoemd) geplaatst onder reducerende omstandigheden.

Methaan, ammoniak en waterstof werden genomen in de verhouding van 2: 2: 1. Ze passeerden de hete producten door een condensor (voor condensatie en verzameling van waterig eindproduct,

Gelijk aan de soep van Haldane).

Het controle-experiment bevatte alle vereisten behalve de energiebron. Na achttien dagen analyseerden ze de chemische verbindingen chemisch met chromatografische en colorimetrische methoden. Ze vonden veel aminozuren (glycine, alanine, asparaginezuur, glutaminezuur etc.), peptiden, purines, pyrimidines en organische zuren.

Deze purinen en pyrimidinen fungeerden als voorlopers van nucleïnezuren. Deze aminozuren zijn essentieel voor de vorming van eiwitten. De tussenproducten bleken aldehyden en HCN te zijn. In het controle-experiment werd een onbetekenende hoeveelheid organische moleculen opgemerkt.

Analyse van het meteorietgehalte onthulde ook vergelijkbare verbindingen die aangeven dat soortgelijke processen zich elders in de ruimte voordoen.

Experimenteel bewijs van de vorming van complexe organische verbindingen:

Sydney W. Fox (ADVERTENTIE 1957) rapporteerde dat wanneer een mengsel van 18-20 aminozuren wordt verhit tot het kookpunt (160 tot 210 ° C gedurende enkele uren) en vervolgens wordt gekoeld in water, veel aminozuren worden gepolymeriseerd en polypeptideketens worden gevormd, proteinoïden genoemd.

Fox verklaarde dat deze proteïniden met water de colloïdale aggregaten vormden die coacervaten of microsferen worden genoemd (figuur 7.10). Deze hadden een diameter van ongeveer 1-2 μm, vergelijkbaar met coccoïde bacteriën in vorm en grootte.

Deze kunnen worden geïnduceerd om te samentrekken dat oppervlakkig lijkt op ontluikende bacteriën en schimmels (gist). Hij rapporteerde ook de vorming van porfyrinen, nucleotiden en ATP uit anorganische verbindingen en HCN.

Vorming van complexe aggregaten:

Oparin meldde dat als een mengsel van een groot eiwit en een polysaccharide wordt geschud, coacervaten worden gevormd. De kern van deze coacervaten was hoofdzakelijk gevormd uit eiwit, polysaccharide en wat water en was gedeeltelijk geïsoleerd uit de omringende waterige oplossing met een lagere hoeveelheid eiwitten en polysacchariden. Maar deze coacervaten hebben geen buitenmembraan van lipiden en konden zich niet reproduceren.

C. Cognogeny (aard van primitief leven en zijn evolutie):

Het natuurlijke gedeelte werkte zelfs op het moment van de oorsprong van het leven. Voortgezette selectie van meer succesvolle eobionts gepaard met de perfectie van het membraansysteem leidde waarschijnlijk tot de vorming van de eerste cel.

De vroegste cellen waren anaeroob (verkregen door fermentatie van sommige organische moleculen omdat er geen zuurstof beschikbaar was), prokaryoot (met nucleotide zoals in bacteriën) en chemoheterotroof (afgeleid kant en klaar voedsel van bestaande organische moleculen).

Deze startten met het ontlenen van voedings organische verbindingen uit de primitieve zeeën als hun bouwstenen en energiebronnen. Dus deze cellen groeiden enorm uit. Om hun grootte te beperken, startten chemoheterotrofen met celmitose en verhoogden ze hun aantal.

Om de uitgeputte toevoer van organische verbindingen aan te kunnen, evolueerden sommige van deze chemoheterotrofen tot anaerobe, prokaryotische en chemoautotrofen. Deze begonnen hun eigen organische voedsel te synthetiseren van anorganische verbindingen in de aanwezigheid van chemische energie (ook van afbraak van anorganische verbindingen) en enzymen, bijv. Sulfaatreducerende bacteriën, nitrificerende bacteriën, ijzerbacteriën, enz. De belangrijkste kracht voor dit soort evolutie was voorgesteld om van mutaties te zijn.

Geconfronteerd met het probleem van toenemende tekort aan anorganische verbindingen, ontwikkelden sommige van de chemoautotrofen porfyrines en bacteriochlorofyl (groen fotosynthetisch pigment) en startten ze fotosynthese (synthese van koolhydraten). Dit leidde tot de evolutie van anaërobe, prokaryote en photoautotrofen. Deze evolueerden ongeveer 3500-3800 miljoen jaar geleden.

De eerste foto-autotrofen waren anoxygenisch omdat deze geen gebruik maakten van water als grondstof in de fotosynthese. Later ontwikkelden deze echte chlorofyl en begonnen het water als een reagens te gebruiken, zodat O2 werd ontwikkeld in het proces van fotosynthese. De eerste zuurstof- en aerobe fotoautotrofen waren cyanobacteriën waarvan wordt aangenomen dat ze ongeveer 3.300 - 3.500 miljoen jaar geleden evolueren.

Evenzo meldde JW Schopf (1967) de aanwezigheid van 22 aminozuren in een 3000 miljoen oude rots terwijl de oudste micro-fossielen behoren tot blauwgroene algen, namelijk Archaespheroids barbertonensis, ongeveer 3, 3 tot 3, 5 miljard jaar geleden.

Lange tijd waren de dominante en misschien de enige vormen van leven op aarde bacteriën, schimmels en cyanobacteriën. Geleidelijk ontwikkelde blauwalg zich tot andere vormen van algen. Geschat wordt dat eukaryoten ongeveer 1600 miljoen jaar geleden zijn ontstaan.

Eerste eukaryoten evolueerden via mutaties in prokaryoten (Raff en Mahler, 1972) of symbiotische associatie van verschillende prokaryoten (Marguilis, 1970). Later werden vele soorten algen, schimmels, protozoa en andere levende organismen ontwikkeld.