Люди — це складні істоти, які, окрім задоволення своїх основних потреб, також потребують пояснень свого існування та походження. З цього виникають різноманітні постулати, починаючи від релігійних та філософських і закінчуючи науковими. У науковій традиції була постульована теорія молекулярної еволюції. хемосинтетична теоріяҐрунтуючись на дослідженнях вчених Олександра Опаріна та Джона Голдейна, які, незважаючи на те, що не працювали разом, дійшли однієї й тієї ж гіпотези. Ця гіпотеза, сформульована Опаріним та Голдейном у 1920-х роках (1924 році за класичними термінами), продовжує основи, закладені в теорії Великого вибуху, протистоїть теорії самозародження та пропонує альтернативу релігійним теоріям про походження життя.
Що встановлює теорія хемосинтезу?
La хемосинтетична теорія походження життя стверджує, що водень (H2), присутні в первісній атмосфері, реагували з атомами вуглецю, азоту або кисню, утворюючи Поживний бульйон, багатий на прості органічні сполукиЦей бульйон, який також називають примітивний суп o суп первісткаПри контакті з різними джерелами первісної енергії (блискавка, ультрафіолетове випромінювання, вулканічне тепло) воно дало початок кільком амінокислотиЦі молекули складають основні будівельні блоки органічного життя. Протягом величезних періодів часу ці молекули поєднувалися, організовувалися та ставали складнішими, поки не утворили молекулярні агрегати з метаболічною активністюТобто, системи, здатні виконувати процеси, подібні до тих, що виконують найпростіші живі організми сьогодні.
Іншими словами, хемосинтетична теорія припускає, що за атмосферних та енергетичних умов, які домінували на Землі протягом перших мільярдів років її існування, розпочався процес розвитку життя на основі вуглецю. абіотичний синтез органічних молекулЗ часом ці молекули утворилися організовані структури (коацервати, протобіонти, білкові мікросфери, сульфобіоти, за даними різних авторів), які поступово набували таких властивостей, як живлення, виділення, розмноження та зберігання генетичної інформації, що дозволило появі перших клітин.
Хемосинтетична теорія: як виникло життя на Землі?
Згідно з найбільш поширеною космологічною теорією, Всесвіт виник з надзвичайно щільного та гарячого стану, і з часом утворилися галактики, зірки та планети. У цьому контексті Первісна земля Вона виникла з великої хмари водню та інших легких елементів. Одночасно сформувалися Сонце та інші планети Сонячної системи, і молода планета пережила період інтенсивної геологічної та вулканічної активності.
Спочатку Температура Землі Температура була надзвичайно високою, але поступово охолоджувалася, і первісні океани від конденсації водяної пари. У той час атмосфера дуже відрізнялася від сучасної: у ній переважали водяний пар, то метан (CH4) аміак (NH3) діоксид вуглецю (CO2) та молекулярний водень (H2Ця суміш газів утворювала атмосферу переважно редуктордуже відрізняється від сучасної окислювальної атмосфери, багатої на кисень.
На відміну від того, що відбувається сьогодні, на тому початковому етапі не було озоновий шар який сьогодні захищає поверхню Землі від значної частини ультрафіолетового випромінювання. Тому всі типи випромінювання безпосередньо досягали поверхні Землі, включаючи ультрафіолетові та інфрачервоні промені. Крім того, цьому сприяли інтенсивна вулканічна активність, падіння метеоритів та часті грози величезні кількості енергіїУ цьому надзвичайно динамічному та енергійному сценарії перші органічні сполуки в первісних океанах, такі як прості вуглеводи, ліпіди y амінокислоти– вони могли формуватися та руйнуватися знову і знову, доки, нарешті, деякі комбінації не досягали певного хімічна стабільність що сприяло його накопиченню та еволюції.
Протягом мільйонів років ці речовини хімічно поєднувалися одна з одною, утворюючи дедалі складніші молекули які, за Опаріним, були розмежовані своєрідним спонтанна мембранаЦі групи молекул з певним ступенем організації та відокремленості від середовища отримали назву протобіонтиІснування цих примітивних систем тривало б протягом тривалого часу, і протягом поколінь деякі з них набули характеристик живих істот, таких як здатність живити, виводити відходи y відтворюватиЦей останній процес включав появу молекул, здатних зберігати та передавати генетичну інформацію, таких як нуклеїнові кислоти.
З еволюційної точки зору, ці протобіонти передували перші прості клітини що з'явилися пізніше. Вважається, що перші живі істоти, що з'явилися на Землі, були дуже схожі на певні поточні бактеріїОдноклітинні, прокаріотичні, дуже прості організми, що харчувалися органічними сполуками, що вже існували в навколишньому середовищі (гетеротрофи), і з часом диверсифікувалися та ставали складнішими, аж поки не дали початок багатоклітинним організмам.
Умови в атмосфері відповідно до хемосинтетичних постулатів
Хемосинтетична теорія стверджує, що примітивна атмосфера Воно мало мати характеристики, які б заохочували відновлювальні реакції, оскільки, якби існувала атмосфера з окислювальними тенденціями, подібними до сучасної, компоненти "Суп первістка" Вони б швидко деградували. З цієї причини вчені, які запропонували різні еволюційні теорії, стверджують, що за початкових умов планети, Не могло бути значної кількості вільного киснюоскільки реакції окислення не сприяли б поступовому розвитку життя з нестабільних органічних сполук.
Ця відновна атмосфера частково пояснюється переважанням таких газів, як водень, метан, аміак і водяна пара, а також інших сполук, таких як ціаністий водень. За відсутності молекулярного кисню (O₂),2) і озоновий шар, який фільтрував би радіацію, високочастотну сонячну енергію та електричні розряди, міг би безпосередньо впливати на ці гази, розрив посилань і сприяючи утворенню нових молекул. Це створило хімічне середовище, в якому реакції органічного синтезу Вони були термодинамічно можливі та могли підтримуватися безперервно.
Основи теорії хемосинтезу
Стадія постулювання низки теорій, які порвалися з прецедентами теорія спонтанного зародження (широко визнана на той час) була об'єднана з досліджень французького вченого Луї Пастера, який у 1864 році у своїх експериментах продемонстрував, що «Живі істоти походять від живих істот»Ці результати спростували ідею про те, що організми могли виникнути безпосередньо з інертної матерії за сучасних умов, і проклали шлях для пошуку більш складних і послідовних пояснень походження життя в далекому минулому, за зовсім інших умов.
Серед цих нових пояснень є й хемосинтетична теоріяяка стверджує, що життя виникло в результаті реакції та поєднання основні хімічні елементи присутній у ранній атмосфері та гідросфері. Основні елементи, що складають цей постулат, детально пояснюються нижче:
Склад Землі на ранніх стадіях її розвитку: Ця теорія вважає, що спочатку планета мала атмосферу, в якій бракувало вільного кисню, але яка була багата на інші компоненти, головним чином водень (висока концентрація), тож це була атмосфера скороченняЦя характеристика сприяла вивільненню атомів водню з присутніх хімічних сполук, що сприяло реакціям приєднання та синтезу. Крім того, атмосфера містила інші основні хімічні сполуки, такі як... синильна кислота (HCN), метан (CH4), діоксид вуглецю (CO2), вода (H2O) та інші речовини. Ця суміш лягла в основу, з якої розвинулися пребіотичні хімічні реакції, що призвели до появи перших органічних сполук.
- Формування поживного бульйону: також відомий як суп первістка, складався з агломерації Поживна рідина, багата на прості молекули Він був утворений усіма цими компонентами первісної атмосфери, розчиненими у воді. Цей об'єм рідини дав початок першим морям. Як це сталося? Хемосинтетична теорія стверджує, що внаслідок поступове охолодження атмосфериВодяна пара з вулканів та гарячої поверхні планети конденсувалася. Краплі води переносили з собою гази та частинки, утворюючи багату на поживні речовини суп, який накопичувався в западинах (первісних океанах та озерах), де він залишався протягом тривалого часу без ризику масового розкладання через відсутність кисню та організмів, що розкладаються.
- Зовнішній вигляд більш складних конструкцій: У цьому процесі дія різних Джерела енергіїтакі як грози, високоенергетичне сонячне випромінювання та виверження вулканів. Результатом цих реакцій стало утворення складних компонентів, таких як прості цукри, жирні кислоти, гліцерин y амінокислотиЗ часом хімічна еволюція призвела до появи структур, які Опарін назвав коацерватиТобто колоїдні агрегати органічних молекул стійкішими та розвиненішими, ніж були попередники сучасних нуклеїнових кислот та, загалом, живих систем.
Утворення коацерватів
Опарін встановив, що в процесі еволюції хімічних речовин, що містяться в цьому відвар первістка, той/та/те коацерватиякі були складними видами, утвореними об'єднання органічних молекул такі як прості білки, ліпіди та полісахариди. Під час певних процесів фазового поділу та розділення ці групи об'єднувалися у більші, стабільніші структури, набуваючи таким чином своєрідної мембрани, яка робила їх відносно незалежними від навколишнього середовища. Таким чином, системи, здатні самосинтез речовин (здатність виробляти частину власної їжі) та з внутрішньою організацією, яка еволюціонувала у дедалі стабільніші та складніші форми, аж поки не стала справжніми живими структурами. Згідно з хемосинтетичною теорією, ці первісні організми були початком рослинного та тваринного світу на нашій планеті.
Спочатку не було озонового шару, який би захищав клітини від прямих сонячних променів. Тому вважається, що перші структури могли сформуватися та розвиватися саме таким чином. неодноразово знищувався завдяки прямому впливу сонячної енергії. Через мільйони років деякі з цих первісних клітин змогли еволюціонувати в складніші органічні системиЦе дозволило б їм розмножуватися ефективніше. Згодом деякі з цих форм життя почали синтезують свою їжу з сонячної енергіїшляхом здійснення процесу фотосинтезу та вивільнення молекулярного кисню в атмосферу. З часом цей атмосферний кисень сприяв утворенню озоновий шарщо радикально змінило умови поверхні та дозволило поширення складніших форм життя.
Процес утворення коацерватів спрощено описано нижче:
- Все починається з формування організована та відносно стабільна органічна молекула у водному середовищі.
- З плином часу утворюється друга комплементарна молекула (a макромолекула, наприклад, пептид або простий полімер) і стає частиною коацервату, стабілізуючи молекулярний агрегат.
- Ця макромолекула, або їх сукупність, може досягати окремо від початкового коацервату, зберігаючи частину своєї хімічної організації.
- Макромолекула, що відокремилася, починає притягувати інші сумісні сполуки та пов’язують їх зі своєю структурою, таким чином відтворюючи новий коацерват із властивостями, подібними до оригіналу. Таким чином, процеси рудиментарна реплікація та хімічний відбір.
Ця гіпотеза про коацервати вважається фундаментальною основою хемосинтетичної теорії походження життя на ранніх стадіях, до існування протобіонтів з РНК або ДНК, здатних до реплікації за допомогою механізмів, більш схожих на ті, що використовуються сучасними прокаріотичними бактеріями.
Перш ніж перейти до детальнішого визначення значення терміна коацервати, необхідно нагадати про його Етимологічне походженняЦе слово походить з латини, точніше від дієслова «coacervare», яке можна перекласти як «накопичувати» або «нагромаджувати»Цей термін стосується саме накопичення або групування молекул у колоїдних краплях у водному середовищі.
L коацервати Отже, це системи, утворені об'єднання складних молекул такі як елементарні білки та амінокислоти, а також інші органічні сполуки. Ці системи вважаються моделями надзвичайно примітивні живі істотиоскільки, на думку багатьох біологів та біохіміків, вони відіграли ключову роль у розвитку життя на планеті Земля, навіть попри те, що не стали повноцінними клітинами, якими ми їх знаємо сьогодні.
Інші доклітинні моделі: сульфобіоти та білкові мікросферули
З часом різні дослідники пропонували альтернативні або додаткові моделі для коацерватів, щоб пояснити ранні стадії зародження життя. Хоча ці моделі не обов'язково відображають фактичні структури, що існували на ранній Землі, вони показують, як життя еволюціонувало з... прості речовини Можливо створювати системи з певним рівень організації.
Альфонсо ЕррераМексиканський вчений, дуже зацікавлений проблемою походження життя, описав деякі доклітинні моделі, які він назвав «сульфобіонти»Їх отримували з неорганічних сполук, таких як тіоціанат амонію і формалінбез вдавання до вже існуючих біологічних речовин. Хоча сульфобіоти навряд чи точно відображають структури, що передували першим справжнім клітинам, вони є ілюстративним прикладом того, як матерія може досягти вищі рівні організації починаючи з простіших рівнів. Еррера був першим дослідником, який використовував виключно небіологічні речовини розробляти експериментальні моделі, пов'язані з походженням життя.
Сідні Фокс Він запропонував іншу модель доклітинних систем, відому як «білкові мікросфери»Ці мікросфери утворюються в результаті серії хімічних реакцій, в яких амінокислоти полімеризуються під дією теплаутворюючи прості пептидні ланцюги. Згодом, при розчиненні у воді за відповідних умов pH та концентрації солі, ці полімери мають тенденцію агрегуватися у сферичні структури оточені своєрідною мембраною або оболонкою. Хоча мікросферули демонструють певну морфологічну схожість з клітинами (вони мають сферичну форму, внутрішні та зовнішні межі та навіть хімічні градієнти), вони не вважаються повноцінними живими системами. Тим не менш, їхнє формування дає цінне розуміння того, як могли виникнути перші організми. організовані системи перед клітинами.
Експериментальні внески до дослідження «первинного бульйону»
Окрім коацерватів, сульфобіотів та мікросферул, було проведено численні експерименти для перевірки правдоподібності хемосинтетичної теорії. Ці дослідження мали на меті приблизно відтворити примітивні атмосферні та гідросферні умови і спостерігайте, які типи органічних молекул можуть утворюватися спонтанно.
Кирило Поннамперума Він проводив експерименти, що імітували первісна гідросфера та атмосферана основі загальних принципів класичного експерименту Міллера-Юрі. Цей вчений помістив колбу, в якій вода випаровувалася та накопичувала всі продукти реакції у відновній атмосфері, яка при безпосередньому контакті з нею утворювала те, що він назвав «Первісний суп»В одному зі своїх експериментів він запропонував рішення ціаністий водень (HCN) дії ультрафіолетових променів протягом кількох днів і виявили, що азотисті основи аденін та гуаніносновні компоненти нуклеїнових кислот, присутніх у живих системах. Цей результат підтвердив ідею про те, що за правдоподібних умов на ранній Землі було можливо синтезувати ключові компоненти генетичного матеріалу без необхідності попереднього біологічного втручання.
Експеримент Стенлі Міллера та Гарольда Юрі
Хоча постулати хемосинтетичної теорії спочатку були закладені Опаріним та Голдейном, пізніше двома вченими –Стенлі Міллер y Гарольд Юрі– Вони відтворили умови первісної атмосфери у зменшеному лабораторному експерименті, спираючись на моделі свого часу. Для цього вони піддали суміші водень, метан y аміак кратним ураження електричним струмомз метою моделювання електричних бур, які, як вважається, були частими явищами на ранній Землі. Результатом став синтез кількох органічні кислотивключаючи амінокислоти.
Основною метою цього тесту було продемонструвати, що синтез органічних сполук Це може бути спонтанний процес, що відбувається з простих молекул, присутніх у першій атмосфері, за умови наявності достатніх джерел енергії. Цей експеримент став одним із найвпливовіших емпіричних підтверджень хемосинтетичної теорії.
Для планування свого експерименту Міллер та Юрі використали скляна ємність у замкнутому контуріВ експерименті певну кількість води помістили в колбу таким чином, щоб вона була частково заповнена, і з'єднали з іншою камерою, що містила вищезгадану газову суміш. Воду нагрівали до кипіння, утворюючи пару, яка циркулювала в газовій камері, тоді як система електродів генерувала високовольтні електричні розряди, які проходили через суміш, імітуючи доісторичні бурі. Згодом пара та гази знову конденсувалися та поверталися в колбу з водою, таким чином замикаючи цикл. Експеримент тривав приблизно один тиждень, процес, після якого утворені продукти були проаналізовані.
Першою ознакою того, що відбулися хімічні реакції, було зміна кольору водиякий спочатку був прозорим, а з часом набув рожевого відтінку, перш ніж нарешті став коричневим. Цю зміну інтерпретували як наслідок зростання концентрація амінокислот та інших органічних молекул синтезовані в системі. Кілька амінокислот було ідентифіковано за допомогою методів хімічного аналізу, включаючи гліцин y аланін, на додаток до інших незамінних органічних сполук.
Цей експеримент став вирішальним внеском, який підтверджує теорію про те, що перші форми життя могли утворитися з спонтанні хімічні реакції у первісній атмосфері та океанах, без потреби прямого надприродного втручання, а в результаті дії законів хімії та фізики у відповідному середовищі.
Обмеження для перевірки
Експерименти, проведені для перевірки хемосинтетичної теорії, успішно продемонстрували, що вона... правдоподібний що походження життя було таким, як його описали Опарін і Голдейн, що підтверджується роботами таких дослідників, як Міллер, Юрі, Поннамперума, Фокс та інших. Однак той факт, що весь цей процес відбувався з часом, не можна ігнорувати. величезні періоди часу, що охоплювало поступову трансформацію хімічного складу планети.
Через цей великий період часу, який охопив весь процес виникнення життя на Землі, виявляється, Неможливо відтворити його повністю та точно. у лабораторіях. Вчені можуть відтворити лише фрагменти первісного сценарію за певних припущень та вивчати конкретні реакції, які дають підказки про те, що могло статися, але вони не можуть точно відтворити всю історію.
Перешкода часу, додана до майже повна втрата прямих доказів Відсутність добре збережених гірських порід та скам'янілостей найдавніших стадій життя ставить дослідників перед складною ситуацією. Можливо, ніколи не вдасться дізнатися напевно. з абсолютною точністю як сформувалися перші організми, що населяли планету, а також якою була точна послідовність хімічних та біологічних подій.
Незважаючи на цей недолік, хемосинтетична теорія дозволила нам зробити цілісного та науково обґрунтованого зображення того, що могло стати початком життя на Землі. Інтегруючи дані геології, хімії, молекулярної біології та астробіології, було побудовано пояснювальну структуру, в якій прості молекули поступово поступаються місцем, сприятливим для навколишнього середовища, складним системам, здатним до самовідтворення, метаболізму та еволюції. Ця точка зору, що постійно переглядається та збагачується, залишається однією з найпереконливіших пропозицій для розуміння того, як інертна матерія могла перетворитися на життя на нашій планеті.
Бібліографія:
- Ветто, Мілена (н.д.). Хемосинтетична теорія: виникнення життя на Землі:
https://www.lifeder.com/teoria-quimiosintetica/
- Авторське право. (2008-2019) ВИЗНАЧЕННЯ КОАЦЕРВАТІВ:
https://definicion.de/coacervados/
- Мануель (Nd) Що таке теорія хемосинтезу? Основи та експеримент.
https://www.recursosdeautoayuda.com/teoria-quimiosintetica/
- Холдейн-Опарін (n.d.). Хемосинтетична теорія.
https://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/biologia2/unidad1/teoriaQuimiosintetica
Завдяки всім цим теоретичним та експериментальним внескам, хемосинтетична теорія закріпилася як одне з найповніших та найдетальніших наукових пояснень походження життя, що інтегрує хімію первісної Землі, енергію, доступну в цьому середовищі, та притаманну матерії здатність організовуватися та еволюціонувати у дедалі складніші форми.