Viste moderne sull'evoluzione chimica e biologica
Viste moderne sull'evoluzione chimica e biologica!
Secondo questa teoria la vita ha origine sulla Terra primordiale attraverso processi fisico-chimici di atomi che si combinano per formare molecole, molecole che a loro volta reagiscono producendo composti inorganici e organici.
Composti organici che interagiscono per produrre tutti i tipi di macromolecole organizzate per formare il primo sistema vivente o cellule.
Quindi, secondo questa teoria, la "vita" ha origine sulla nostra terra spontaneamente dalla materia non vivente. I primi composti inorganici e poi i composti organici sono stati formati in conformità con condizioni ambientali in costante mutamento. Questa è chiamata evoluzione chimica che non può avvenire nelle condizioni ambientali attuali sulla terra. Le condizioni adatte all'origine della vita esistevano solo sulla terra primitiva.
La teoria di Oparin-Haldane è anche chiamata teoria chimica o teoria naturalistica
Le opinioni moderne sull'origine della vita includono l'evoluzione chimica e l'evoluzione biologica:
1. Evoluzione chimica:
(i) La fase atomica:
Terra cattiva innumerevoli atomi liberi di tutti questi elementi (ad esempio, idrogeno, ossigeno, carbonio, azoto, zolfo, fosforo, ecc.) Che sono essenziali per la formazione del protoplasma. Gli atomi sono stati segregati in tre masse concentriche in base al loro peso, (a) Gli atomi più pesanti di ferro, nichel, rame, ecc. Sono stati trovati nel centro della terra, (b) Atomi di peso medio di sodio, potassio, silicio, magnesio, alluminio, fosforo, cloro, fluoro, zolfo, ecc. furono raccolti nel nucleo della terra, (c) Gli atomi più leggeri di azoto, idrogeno, ossigeno, carbonio ecc. formavano l'atmosfera primitiva.
(ii) Origine di molecole e composti inorganici semplici:
Atomi liberi combinati per formare molecole e composti inorganici semplici. Gli atomi di idrogeno erano più numerosi e più reattivi nell'atmosfera primitiva. Primi atomi di idrogeno combinati con tutti gli atomi di ossigeno per formare acqua e non lasciare ossigeno libero. Quindi l'atmosfera primitiva riduceva l'atmosfera (senza ossigeno libero) a differenza della presente atmosfera ossidante (con ossigeno libero). Gli atomi di idrogeno si combinano anche con l'azoto, formando ammoniaca (NH 3 ). Quindi l'acqua e l'ammoniaca erano probabilmente le prime molecole composte della terra primitiva.
(iii) Origine di composti organici semplici (monomeri):
L'atmosfera primitiva conteneva gas come CO 2, CO, N, H 2, ecc. L'azoto e il carbonio dell'atmosfera si combinavano con gli atomi metallici, formando nitruri e carburi. Il vapore acqueo e i carburi metallici hanno reagito formando il primo composto organico, il metano (CH 4 ). Successivamente è stato formato acido cianidrico (HCN).
Le piogge torrenziali devono essere cadute:
Quando l'acqua precipitò giù, doveva essersi dissolta e trasportata con esso sali e minerali, e alla fine si accumulò sotto forma di oceani. Così l'antica acqua oceanica conteneva grandi quantità di NH 3 disciolto, CH 4, HCN, nitruri, carburi, vari gas ed elementi.
I primi composti interagivano e producevano composti organici semplici come zuccheri semplici (es. Ribosio, desossiribosio, glucosio, ecc.), Basi azotate (ad es. Purine, pirimidine), amminoacidi, glicerolo, acidi grassi, ecc. Alcune fonti esterne devono hanno agito sulla miscela per le reazioni. Queste fonti esterne potrebbero essere (i) radiazioni solari come la luce ultravioletta, raggi X, ecc., (Ii) energia da scariche elettriche come il fulmine, (iii) radiazioni ad alta energia sono altre fonti di energia (probabilmente isotopi instabili su la terra primitiva). Non c'era strato di ozono nell'atmosfera.
L'acqua oceanica ricca di una miscela di composti organici è stata definita da JBS Haldane (1920) "zuppa calda e diluita di sostanze organiche". La "zuppa calda e diluita" viene anche chiamata zuppa prebiotica ". Così è stato impostato lo stadio per la combinazione di vari elementi chimici. Una volta formate, le molecole organiche si accumulavano nell'acqua perché il loro degrado era estremamente lento in assenza di qualsiasi catalizzatore di vita o enzima.
Evidenza sperimentale per l'evoluzione molecolare abiogenica della vita:
Stanley Miller nel 1953, dimostrò chiaramente che la radiazione ultravioletta o le scariche elettriche o il calore o una combinazione di questi possono produrre composti organici complessi da una miscela di metano, ammoniaca, acqua (corrente d'acqua) e idrogeno.
Miller fece circolare quattro gas - metano, ammoniaca, idrogeno e vapore acqueo in un apparecchio a tenuta d'aria e passò scariche elettriche dagli elettrodi a 800 ° C. Passò la miscela attraverso un condensatore. Ha fatto circolare i gas continuamente in questo modo per una settimana e poi ha analizzato la composizione chimica del liquido all'interno dell'apparato. Ha trovato un gran numero di composti organici semplici inclusi alcuni amminoacidi come alanina, glicina e acido aspartico. Miller ha dimostrato che i composti organici erano la base della vita.
Erano presenti anche altre sostanze, come urea, acido cianidrico, acido lattico e acido acetico. In un altro esperimento, Miller fece circolare la miscela dei gas allo stesso modo ma non passò la scarica elettrica. Non poteva ottenere la significativa resa dei composti organici. In seguito molti ricercatori hanno sintetizzato una grande varietà di composti organici tra cui purine, pirimidine e zuccheri semplici, ecc. Si ritiene che gli "elementi costitutivi" essenziali come i nucleotidi, gli amminoacidi, ecc. Degli organismi viventi possano così formarsi sul terra primitiva.
(iv) Origine di composti organici complessi (polimeri):
Una varietà di aminoacidi, acidi grassi, idrocarburi, purine e basi pirimidiniche, zuccheri semplici e altri composti organici accumulati nei mari antichi. Nell'atmosfera primordiale scariche elettriche, fulmini, energia solare, ATP e polifosfati potrebbero aver fornito la fonte di energia per le reazioni di polimerizzazione della sintesi organica. SW Fox ha dimostrato che se una miscela di amminoacidi quasi secca viene riscaldata, le molecole di polipeptidi vengono sintetizzate.
Allo stesso modo gli zuccheri semplici potrebbero formare polisaccaridi e gli acidi grassi potrebbero combinarsi per produrre grassi. Gli amminoacidi potevano formare proteine, quando altri fattori erano coinvolti. Così le piccole molecole organiche semplici combinate per formare grandi molecole organiche complesse, ad esempio unità di amminoacidi unite per formare polipeptidi e proteine, unità di zucchero semplici combinate per formare polisaccaridi, acidi grassi e glicerolo uniti per formare grassi, zuccheri, basi azotate e fosfati combinati in nucleotidi che si sono polimerizzati in acidi nucleici negli antichi oceani.
2. Evoluzione biologica:
Per l'origine della vita, sono necessarie almeno tre condizioni:
(a) Ci deve essere stata una scorta di replicatori, cioè molecole auto-produttrici.
(b) La copia di questi replicatori deve essere stata soggetta ad errore tramite la mutazione.
(c) Il sistema di replicatori deve aver richiesto una fornitura continua di energia libera e un parziale isolamento dall'ambiente generale.
L'alta temperatura nella prima terra avrebbe soddisfatto il requisito della mutazione.
Origine delle molecole prebiotiche:
La terza condizione, l'isolamento parziale, è stata raggiunta all'interno di aggregati di molecole prebiotiche artificialmente formate. Questi aggregati sono chiamati protobionts che possono separare le combinazioni di molecole dai dintorni. Mantengono un ambiente interno ma non sono in grado di riprodursi. Due importanti protobionts sono coacervates e microsfere.
coacervati:
Oparin (1924) osservò che se si agita una miscela di una grande proteina e un polisaccaride, si formano coacervati. I coacervati contengono principalmente proteine, polisaccaridi e acqua. Le coacervate di Oparin mostrano anche una semplice forma di metabolismo. Poiché questi coacervati non hanno membrane esterne lipidiche, quindi non possono riprodursi. Quindi non soddisfano il requisito di probabili precursori della vita.
microsfere:
Quando si mescolano miscele di composti organici prodotti artificialmente con microsfere di acqua fredda si formano. Se la miscela contiene lipidi, la superficie delle microsfere consiste in un doppio strato lipidico, che ricorda (ricordando le cose del passato) al doppio strato lipidico delle membrane cellulari. Sydney Fox (1950) riscaldò una miscela di 18 ammidi acidi a temperature da 130 a 180 ° C. Ha ottenuto macromolecole di proteina stabile come le protenoidi.
Quando il materiale del protenoide fu raffreddato ed esaminato al microscopio, Fox osservò piccole unità sferiche simili a cellule che erano nate da aggregazioni di protenoidi. Questi aggregati molecolari erano chiamati miciosphei protenoidi. Le prime forme di vita non cellulari potrebbero aver avuto origine 3 miliardi di anni fa. Sarebbero state molecole giganti (RNA, proteine e polisaccaridi ecc.).
Proprietà fisiche delle microsfere di protenoidi:
Erano microscopici sferici con circa 1 a 2 (diametro am, simile alla dimensione e alla forma dei batteri coccoidi.
Proprietà strutturali delle microsfere di protenoidi:
Sotto il microscopio elettronico, sono stati osservati confini concentrici a doppio strato attorno a loro attraverso i quali avviene la diffusione del materiale. Hanno la capacità di motilità, crescita, fissione binaria in due particelle e una capacità di riproduzione per gemmazione e frammentazione. Superficialmente, il loro germogliamento ricorda quello di batteri e funghi.
Attività simil-enzimatiche delle microsfere protenoidi:
È stato scoperto che hanno attività catalitica, come la degradazione del glucosio. Questa attività enzimatica delle microsfere di protenoidi viene parzialmente persa durante il riscaldamento.
Lo svantaggio principale nelle microsfere di protenoidi è che hanno una diversità limitata. Quindi il meccanismo di isolamento parziale che porta all'origine dei protobionts rimane ancora irrisolto.
Poiché sia le proteine che gli acidi nucleici (insieme ad altre sostanze più semplici) sono necessari per lo sviluppo e la riproduzione degli organismi viventi oggi, una domanda ovvia è quale di queste sostanze è nata prima? Non è disponibile una risposta chiara.
Primo modello dell'RNA:
Negli ultimi anni, le evidenze sono a favore dell'RNA come materiale del primo gene (Woese, 1967, Crick 1968, Orgel 1973, 1986 Watson et al 1986, Darnell et al 1986). Quindi l'RNA può essere stato il primo polimero e alcune forme di trascrizione inversa potrebbero aver dato origine al DNA e all'RBA e il DNA ha iniziato a controllare la sintesi proteica.
Perché l'RNA e non il DNA è stata la prima molecola vivente?
Le attività enzimatiche delle molecole di RNA vengono costantemente scoperte, ma nessuna attività enzimatica è mai stata attribuita al DNA. Inoltre, il ribosio è molto più facilmente sintetizzato del desossiribosio in condizioni prebiotiche stimolate. Una molecola di RNA vantaggiosa selettiva sarebbe quella che dirige la sintesi della proteina che accelera la replicazione di un particolare RNA (cioè RNA polimerasi).
Gli RNA potrebbero aver catalizzato la formazione di molecole lipidiche che potrebbero a loro volta formare membrane plasmatiche e proteine. Le proteine potrebbero aver assorbito la maggior parte delle funzioni enzimatiche perché sono migliori catalizzatori degli RNA. Se le prime cellule utilizzavano l'RNA come molecola ereditaria, il DNA si è evoluto da un modello di RNA. Una volta che le cellule si sono evolute, il DNA probabilmente ha sostituito l'RNA nella maggior parte degli organismi.
Formazione delle prime cellule:
(i) I primi organismi viventi provenivano da molecole organiche e in atmosfera priva di ossigeno (atmosfera riducente). Presumibilmente hanno ottenuto energia dalla fermentazione di alcune di queste molecole organiche. Erano anaerobi, capaci di respirare in assenza di ossigeno. Essi dipendevano dalle molecole organiche esistenti per la loro nutrizione e quindi erano eterotrofi.
(ii) Quando la fornitura di molecole organiche esistenti fu esaurita, alcuni degli eterotrofi potrebbero essersi evoluti in autotrofi. Questi organismi erano in grado di produrre le proprie molecole organiche mediante chemiosintesi o fotosintesi.
(a) Chemosintesi:
Gli organismi che svolgono la chemiosintesi sono chiamati chemoautotrofi. Erano anaerobici. Chemoautotrophs ha sviluppato la capacità di sintetizzare molecole organiche da materie prime inorganiche. Tale modalità di nutrizione è presente anche ora in alcuni batteri, ad esempio, batteri dello zolfo, batteri di ferro, batteri nitrificanti.
(b) fotosintesi:
Gli organismi fotosintetici, i fotoautotrofi, hanno sviluppato la clorofilla del pigmento combinando semplici agenti chimici. Hanno preparato cibo biologico usando l'energia solare catturata con l'aiuto della clorofilla. Mancavano i percorsi biochimici per produrre ossigeno. Erano ancora anaerobici e utilizzavano l'idrogeno da fonti diverse dall'acqua.
In una fase successiva, si sviluppa l'ossigeno che rilascia organismi fotosintetici. Questi erano simili alle alghe blu verdi esistenti (cianobatteri). Hanno usato l'acqua per ottenere idrogeno e rilasciato ossigeno. L'aggiunta di O 2 all'atmosfera ha iniziato a ossidare il metano e l'ammoniaca, che ha iniziato a scomparire.
CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O
4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6H 2 O
La vita era presente sulla Terra circa 3, 9 miliardi di anni fa. Tuttavia, i microfossili più antichi scoperti finora sono quelli dei cianobatteri fotosintetici che sono apparsi da 3, 3 a 3, 5 miliardi di anni fa.
Formazione dello strato di ozono:
Mentre l'ossigeno si accumulava nell'atmosfera, la luce ultravioletta cambiava il tifo ossigeno in ozono.
2O 2 + O 2 → 2O 3
L'ozono ha formato uno strato nell'atmosfera, bloccando la luce ultravioletta e lasciando la luce visibile come principale fonte di energia.
Origine delle cellule eucariotiche (vere cellule nucleari):
La respirazione aerobica ha sviluppato ossigeno sufficiente nell'atmosfera primitiva. I procarioti si modificano gradualmente per adattarsi alle nuove condizioni. Hanno sviluppato un vero nucleo e altri organelli cellulari specializzati. Così organismi viventi eucariotici simili a cellule viventi hanno avuto origine nell'Oceano Ancierit presumibilmente circa 1, 5 miliardi di anni fa. Gli eucarioti primitivi hanno portato all'evoluzione di protisti, piante, funghi e animali.
Riassunto dei principali passi nell'origine della vita secondo la moderna teoria dell'origine della vita.
