Origine della vita: moderna teoria dell'origine della vita
Leggi questo articolo per conoscere la teoria moderna nota anche come teoria dell'origine della vita di Oparin-Haldane!
Teoria moderna o teoria dell'origine della vita di Oparin-Haldane:
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 interagiscono per produrre tutti i tipi di macromolecole organizzate per formare il primo sistema vivente o cellule.
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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. AI Oparin (1894-1980) era uno scienziato russo. Ha pubblicato il suo libro "The origin of Life" nel 1936 e un'edizione inglese nel 1938. JBS Haldane (1892-1964) nacque in Inghilterra ma emigrò in India nel luglio 1957 e si stabilì a Bhubaneshwar, in Orissa. Era biologo, biochimico e genetista. Sia Oparin (1938) che Haldane (1929) hanno espresso opinioni simili sull'origine della vita.
Le viste dei modem sull'origine della vita includono l'evoluzione chimica e l'evoluzione biologica:
A. Chemical Evolution (Chemogeny):
1. La fase atomica:
La Terra primitiva aveva innumerevoli atomi di tutti quegli elementi (ad es., 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.
2. Formazione di molecole inorganiche:
Atomi liberi combinati per formare molecole inorganiche come H 2 (idrogeno), N 2 (azoto), H 2 0 (vapore acqueo), CH 4 (metano), NH 3 (ammoniaca), C0 2 (anidride carbonica). 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 della terra primitiva.
3. Formazione di molecole organiche semplici (monomeri):
Le prime molecole inorganiche interagivano e producevano molecole organiche semplici come zuccheri semplici (es. Ribosio, desossiribosio, glucosio, ecc.), Basi azotate (ad es. Purine, pirimidine), amminoacidi, glicerolo, acidi grassi, ecc.
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.
CH 4 + C0 2 + H 2 0 -> Zuccheri + Glicerolo + Acidi grassi
CH 4 + HCN + NH 3 + H 2 0 -> Purine + Pirimidine
CH 4 + NH 3 + C0 2 + H 2 0 -> Amminoacidi
Alcune fonti esterne devono aver 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.
Un brodo simile a una zuppa di sostanze chimiche formate negli oceani della prima terra da cui si ritiene che le cellule viventi siano apparse, fu definito da JB Haldane (1920) come "zuppa prebiotica" (detta anche "zuppa calda e diluita"). 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, che era uno studente laureato di Harold Urey (1893-1981) all'Università di Chicago, dimostrò chiaramente che le radiazioni ultraviolette o le scariche elettriche o il calore o una combinazione di questi possono produrre composti organici complessi da un miscela di metano, ammoniaca, acqua (corrente d'acqua) e idrogeno. Il rapporto tra metano, ammoniaca e idrogeno nell'esperimento di Miller era 2: 1: 2.
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 condotto l'esperimento per testare l'idea che le molecole organiche potrebbero essere sintetizzate in un ambiente riducente.
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, pirimidina 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.
4. Formazione di molecole organiche complesse (macromolecole):
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.
La SW Fox dell'Università di Miami 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.
Zucchero + zucchero ----> Polisaccaridi
Acidi grassi + glicerolo ----> grassi
Aminoacidi- + amminoacidi ----> Proteine
Basi azotate + zuccheri pentosi + fosfati ---> Nucleotidi
Nucleotidi + Nucleotidi ----> Acidi nucleici
Quale fu il primo RNA o proteina?
La prima ipotesi dell'RNA:
All'inizio degli anni '80 tre scienziati (Leslia orgel, Francis Crick e Carl Woese) proposero indipendentemente l'RNA World come il primo stadio nell'evoluzione della vita in cui l'RNA catalizzasse tutte le molecole necessarie per la sopravvivenza e la replicazione. Thomas Ceck e Sidney Altman hanno condiviso il premio Nobel per la chimica nel 1989 perché hanno scoperto che l'RNA può essere sia un substrato che un enzima.
Se le prime cellule utilizzavano l'RNA come molecola ereditaria, il DNA si è evoluto da un modello di RNA. Probabilmente il DNA non si è evoluto come una molecola ereditaria, una vita basata su RNA è stata rinchiusa nella membrana. Una volta che le cellule si sono evolute, il DNA probabilmente sostituiva l'RNA come codice genetico per la maggior parte degli organismi.
La prima ipotesi della proteina:
Un certo numero di autori (ad esempio Sidney Fox, 1978) ha affermato che un sistema catalitico proteico deve essere sviluppato prima di un sistema replicativo dell'acido nucleico. Sidney Fox aveva dimostrato che gli amminoacidi erano polimerizzati abioticamente quando esposti al calore secco per formare i proteinoidi.
Ipotesi di Cairns-Smith:
È stato proposto da Graham Caims-Smith, secondo il quale entrambe le proteine e l'RNA hanno avuto origine nello stesso momento.
Formazione di nucleotoproteine:
Le molecole di nucleoproteine giganti sono state formate dall'unione di molecole di acido nucleico e proteine. Queste particelle nucleoproteiche sono state descritte come geni viventi liberi. Le nucleoproteine hanno dato molto probabilmente il primo segno di vita.
B. Evoluzione biologica (biogenesi):
Condizioni per l'origine della vita:
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.
1. Protobionts o Protocells:
Questi sono almeno due tipi di strutture di laboratorio abbastanza semplici: le coacervate di Oparin e le microsfere di Fox che possiedono alcuni dei prerequisiti fondamentali delle celle di proto.
Sebbene queste strutture siano state create artificialmente, indicano la probabilità che i recinti di membrana non biologici (proto cellule) possano avere sistemi reattivi sostenuti per almeno brevi periodi di tempo e portato alla ricerca sulla produzione sperimentale di vescicole legate a membrana contenenti molecole, cioè, proto cellule.
(i) Coacervates:
La prima ipotesi fu proposta da Oparin (1920). Secondo questa ipotesi, le prime proto cellule avrebbero potuto essere un coacervato. Oparin ha dato il termine coacervates. Queste erano strutture non viventi che hanno portato alla formazione delle prime cellule viventi da cui si sono evolute le cellule più complesse oggi.
Oparin ipotizzò che una proto-cella consistesse in carboidrati, proteine, lipidi e acidi nucleici che si accumulavano per formare un coacervato. Una tale struttura avrebbe potuto consistere in una collezione di macromolecole organiche circondate da un film di molecole d'acqua.
Questa disposizione delle molecole d'acqua, sebbene non fosse una membrana, avrebbe potuto funzionare come barriera fisica tra le molecole organiche e l'ambiente circostante. Potrebbero assumere selettivamente materiali dai loro dintorni e incorporarli nella loro struttura.
I coacervati sono stati sintetizzati in laboratorio. Possono assorbire selettivamente le sostanze chimiche dall'acqua circostante e incorporarle nella loro struttura. Alcuni coacervati contengono enzimi che dirigono un tipo specifico di reazione chimica.
Perché mancano di una membrana definita, nessuno sostiene che i coacervati siano vivi, ma esibiscono alcuni personaggi della vita. Hanno un'organizzazione semplice ma persistente. Possono rimanere in soluzione per periodi prolungati. Hanno la capacità di aumentare di dimensioni.
(ii) Microsfere:
Un'altra ipotesi è che la proto cellula potrebbe essere stata una microsfera. Una microsfera è una collezione non vivente di macromolecole organiche con contorno esterno a doppio strato. Il termine microsfera è stato dato da Sydney Fox (1958-1964).
Sidney Fox ha dimostrato la capacità di costruire microsfere dai proteinoidi. I proteinoidi sono proteine come strutture costituite da catene ramificate di aminoacidi. I proteinoidi sono formati dalla sintesi di disidratazione degli amminoacidi ad una temperatura di 180 ° C. La Fox, dell'Università di Miami, ha dimostrato che è possibile combinare singoli amminoacidi in polimeri di proteinoidi. Ha anche dimostrato la capacità di costruire microsfere da questi proteinoidi.
La Fox osservò piccole unità sferiche simili a cellule che erano nate da aggregazioni di proteinoidi. Questi aggregati molecolari erano chiamati microsfere di proteinoidi. Le prime forme di vita non cellulari potrebbero aver avuto origine 3 miliardi di anni fa. Sarebbero state molecole giganti (RNA, proteine, polisaccaridi ecc.).
Le microsfere si possono formare quando i proteinoidi vengono posti in acqua bollente e lentamente lasciati raffreddare. Alcuni dei materiali proteinoidi producono una struttura a doppio confine che racchiude la microsfera. Sebbene queste pareti non contengano lipidi, esibiscono alcune caratteristiche simili alla membrana e suggeriscono la struttura di una membrana cellulare.
Le microsfere si gonfiano o si restringono a seconda del potenziale osmotico nella soluzione circostante. Mostrano anche un tipo di movimento interno (streaming) simile a quello esibito dalle cellule e contiene alcuni proteinoidi che funzionano come enzimi. Usando l'ATP come fonte di energia, le microsfere possono dirigere la formazione di polipeptidi e acidi nucleici. Possono assorbire il materiale dal mezzo circostante.
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.
Secondo alcuni ricercatori, le microsfere possono essere considerate prime cellule viventi.
2. Origine dei procarioti:
I procarioti provenivano da cellule di proto circa 3, 5 miliardi di anni fa nel mare. L'atmosfera era anaerobica perché l'ossigeno libero era assente nell'atmosfera. I procarioti non hanno membrana nucleare, citoscheletro o organelli complessi. Si dividono per fissione binaria. Alcune delle più antiche cellule fossili conosciute appaiono come parti di stromatoliti. Le stromatoliti si formano oggi da sedimenti e procarioti fotosintetici (principalmente da cynobatteri filamentosi - alghe verdi blu).
3. Evoluzione delle modalità di alimentazione:
(i) Eterotrofi:
I primi procarioti presumibilmente ottenevano energia dalla fermentazione di molecole organiche dal brodo di mare in atmosfera priva di ossigeno (atmosfera riducente). Avevano bisogno di materiale organico pronto come cibo e quindi erano eterotrofi.
(ii) Autotrofi:
A causa del rapido aumento del numero di eterotrofi, i nutrienti dell'acqua di mare cominciarono a scomparire e gradualmente si esaurirono. Ciò ha portato all'evoluzione degli autotrofi. Questi organismi erano in grado di produrre le proprie molecole organiche mediante chemiosintesi o fotosintesi.
(a) Chemoautotrophs:
La caduta di temperatura ha fermato la sintesi di molecole organiche nell'acqua di mare. Alcuni dei primi procarioti sono stati convertiti in chemoautotrofi che hanno preparato alimenti biologici utilizzando l'energia rilasciata durante determinate reazioni chimiche inorganiche. Questi chemoautotrofi anaerobici erano come i batteri anaerobici presenti. Hanno rilasciato CO 2 nell'atmosfera.
(b) Photoautotrophs:
L'evoluzione della molecola della clorofilla ha permesso a determinati protocell di utilizzare l'energia della luce e sintetizzare i carboidrati. Questi erano fotoautotrofi anaerobici. Non hanno usato l'acqua come fonte di idrogeno. Erano simili agli attuali batteri di zolfo in cui l'idrogeno solforato si divideva in idrogeno e zolfo. L'idrogeno è stato utilizzato nella produzione alimentare e lo zolfo è stato rilasciato come prodotto di scarto.
I fotoautotrofi aerobici utilizzavano l'acqua come fonte di idrogeno e anidride carbonica come fonte di carbonio per sintetizzare i carboidrati in presenza di energia solare. I primi fotoautotrofi aerobici erano forme simili a cianobatteri (alghe verdi blu) che avevano clorofilla. Hanno rilasciato ossigeno nell'atmosfera come prodotto della fotosintesi. La principale fonte di variazione genetica era la mutazione.
Rivoluzione di ossigeno:
Con l'aumento del numero di fotoautotrofi, l'ossigeno è stato rilasciato nel mare e nell'atmosfera. Ossigeno libero che reagito con metano e ammoniaca presenti nell'atmosfera primitiva e trasformato metano e ammoniaca in anidride carbonica e azoto libero.
CH 4 + 20 2 -----> CO 2 + 2H 2 O
4NH 3 + 3O 2 ----> 2N 2 + 6H 2 O
Il più antico fossile appartenente alle alghe blu verdi, chiamato Archaeospheroides barbertonensis che ha 3, 2 miliardi di anni. L'ossigeno che rilasciava i procarioti apparve per la prima volta almeno 2, 5 miliardi di anni fa.
4. Formazione dello strato di ozono:
Quando l'ossigeno si è accumulato nell'atmosfera, la luce ultravioletta ha trasformato parte dell'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.
5. Origine degli eucarioti:
Gli eucarioti si sono sviluppati da cellule procariotiche primitive circa 1, 5 miliardi di anni fa. Ci sono due punti di vista sull'origine degli eucarioti.
(i) Origine simbiotica:
Secondo Margulis (1970-1981) della Boston University, alcune cellule ospiti predatrici anaerobiche hanno inghiottito batteri aerobi primitivi ma non li hanno digeriti. Questi batteri aerobici si sono stabiliti all'interno delle cellule ospiti come simbionti. Tali cellule ospiti predatrici divennero le prime cellule eucariotiche.
Le cellule ospiti predatrici che hanno inghiottito i batteri aerobici si sono trasformate in cellule animali mentre quelle che hanno catturato sia i batteri aerobici che le alghe blu-verdi sono diventate cellule vegetali eucariotiche. I batteri aerobici si sono affermati come mitocondri e alghe blu come cloroplasti.
(ii) Origine di Invagination:
Secondo questa visione, gli organelli cellulari delle cellule eucariotiche potrebbero essere originati dall'invasione della membrana superficiale delle cellule procariotiche primitive.
