Ľudské bytosti sú zložité entity, ktoré okrem uspokojovania svojich základných potrieb vyžadujú aj vysvetlenie svojej existencie a pôvodu. Z toho vyplývajú rôzne postuláty, od náboženských a filozofických oblastí až po vedecké. V rámci vedeckej tradície bola postulovaná teória molekulárnej evolúcie. chemosyntetická teóriaNa základe štúdií vedcov Alexandra Oparina a Johna Haldana, ktorí napriek tomu, že nespolupracovali, dospeli k rovnakej hypotéze. Táto hypotéza, ktorú sformulovali Oparin a Haldane v 20. rokoch 20. storočia (1924 v klasickom zmysle), pokračuje v základoch stanovených v teórii Veľkého tresku, stavia sa proti teórii spontánneho vzniku a ponúka alternatívu k náboženským teóriám o pôvode života.
Čo ustanovuje chemosyntetická teória?
La chemosyntetická teória pôvodu života uvádza, že vodík (H2) prítomné v prvotnej atmosfére reagovali s atómami uhlíka, dusíka alebo kyslíka a tvorili Výživný vývar bohatý na jednoduché organické zlúčeninyTento vývar, nazývaný aj primitívna polievka o prvorodená polievkaPri kontakte s rôznymi zdrojmi primitívnej energie (blesk, ultrafialové žiarenie, sopečné teplo) vzniklo niekoľko aminokyselinyTieto molekuly tvoria základné stavebné kamene organického života. Počas nesmiernych časových období sa tieto molekuly kombinovali, organizovali a stávali sa zložitejšími, až kým nevytvorili molekulárne agregáty s metabolickou aktivitouTeda systémy schopné vykonávať procesy podobné tým, aké vykonávajú najjednoduchšie živé organizmy súčasnosti.
Inými slovami, chemosyntetická teória predpokladá, že za atmosférických a energetických podmienok, ktoré dominovali Zemi počas prvých miliárd rokov jej existencie, sa začal proces života na báze uhlíka. abiotická syntéza organických molekúlPostupom času sa tieto molekuly vytvorili organizované štruktúry (koacerváty, protobionty, proteínové mikrosféry, sulfobiomy, podľa rôznych autorov), ktoré postupne nadobudli vlastnosti ako výživa, vylučovanie, reprodukcia a ukladanie genetickej informácie, čím umožnili vznik prvých buniek.
Chemosyntetická teória: ako vznikol život na Zemi?
Podľa najrozšírenejšej kozmologickej teórie vznikol vesmír z extrémne hustého a horúceho stavu a časom sa vytvorili galaxie, hviezdy a planéty. V tomto kontexte... Primitívna zem Vznikla z veľkého oblaku vodíka a iných ľahkých prvkov. Súčasne sa sformovalo Slnko a ostatné planéty slnečnej sústavy a mladá planéta zažila obdobie intenzívnej geologickej a sopečnej aktivity.
Spočiatku, Teplota Zeme Bolo extrémne vysoko, ale postupne sa ochladzovalo a primitívne oceány z kondenzácie vodnej pary. V tom čase sa atmosféra veľmi líšila od dnešnej: dominovala jej vodná para, metán (CH4), amoniak (NH3), oxid uhličitý (CO2) a molekulárny vodík (H2Táto zmes plynov tvorila atmosféru prevažne reduktorveľmi odlišné od súčasnej oxidačnej atmosféry bohatej na kyslík.
Na rozdiel od toho, čo sa deje dnes, v tej počiatočnej fáze neexistovalo ozónovej vrstvy ktorý dnes chráni zemský povrch pred veľkou časťou ultrafialového žiarenia. Preto všetky typy žiarenia dosahovali priamo na zemský povrch vrátane ultrafialového a infračerveného žiarenia. Okrem toho k tomu prispela intenzívna sopečná činnosť, dopady meteoritov a časté búrky obrovské množstvo energieV tomto vysoko dynamickom a energickom scenári prvé organické zlúčeniny v primitívnych oceánoch – ako napríklad jednoduché sacharidy, lipidy y aminokyseliny– mohli sa znova a znova formovať a ničiť, až kým nakoniec niektoré kombinácie nedosiahli určitý chemická stabilita čo podporovalo jeho akumuláciu a vývoj.
Milióny rokov sa tieto látky chemicky spájali a tvorili čoraz komplexnejšie molekuly ktoré boli podľa Oparina vymedzené akýmsi spontánna membránaTieto zoskupenia molekúl s určitým stupňom organizácie a oddelenia od prostredia sa nazývali protobiontovExistencia týchto primitívnych systémov by trvala dlhé časové obdobia a v priebehu generácií niektoré z nich nadobudli vlastnosti živých bytostí, ako napríklad schopnosť živiť, vylučovať odpad y plemenoTento posledný proces zahŕňal vznik molekúl schopných ukladať a prenášať genetické informácie, ako napríklad nukleové kyseliny.
Z evolučného hľadiska títo protobiontovia predchádzali prvé jednoduché bunky ktoré sa objavili neskôr. Predpokladá sa, že prvé živé bytosti, ktoré sa objavili na Zemi, boli veľmi podobné určitým súčasné baktériejednobunkové, prokaryotické, veľmi jednoduché organizmy, ktoré sa živili organickými zlúčeninami už existujúcimi v prostredí (heterotrofy) a ktoré sa časom diverzifikovali a stávali sa komplexnejšími, až kým neviedli k vzniku mnohobunkových organizmov.
Podmienky v atmosfére podľa chemosyntetických postulátov
Chemosyntetická teória tvrdí, že primitívna atmosféra Muselo mať vlastnosti, ktoré by povzbudzovali redukčné reakcie, keďže, ak by existovala atmosféra s oxidačnými tendenciami podobnými tej súčasnej, zložky „Prvorodená polievka“ Rýchlo by sa rozpadli. Z tohto dôvodu vedci, ktorí navrhli rôzne evolučné teórie, tvrdia, že za počiatočných podmienok planéty... Nemohlo tam byť žiadne významné množstvo voľného kyslíkapretože oxidačné reakcie by nepodporili postupný vývoj života z nestabilných organických zlúčenín.
Táto redukčná atmosféra sa čiastočne vysvetľuje prevahou plynov, ako je vodík, metán, amoniak a vodná para, spolu s ďalšími zlúčeninami, ako je kyanovodík. V neprítomnosti molekulárneho kyslíka (O₂),2) a ozónová vrstva, ktorá by filtrovala žiarenie, vysokofrekvenčnú slnečnú energiu a elektrické výboje, by mohla priamo pôsobiť na tieto plyny, prerušenie odkazov a podporujúc tvorbu nových molekúl. To vytvorilo chemické prostredie, v ktorom reakcie organickej syntézy Boli termodynamicky možné a mohli byť udržiavané nepretržite.
Základy teórie chemosyntézy
Fáza postulovania série teórií, ktoré sa rozchádzali s precedensmi teória spontánneho vzniku (v tom čase všeobecne akceptovaná) bola zlúčená zo štúdií francúzskeho vedca Louisa Pasteura, ktorý v roku 1864 vo svojich experimentoch preukázal, že „Živé veci pochádzajú zo živých vecí“Tieto výsledky vyvrátili myšlienku, že organizmy by mohli za súčasných podmienok vzniknúť okamžite z inertnej hmoty, a vydláždili cestu pre hľadanie komplexnejších a koherentnejších vysvetlení o pôvode života v dávnej minulosti za veľmi odlišných podmienok.
Medzi týmito novými vysvetleniami je aj chemosyntetická teóriaktorá uvádza, že život vznikol reakciou a kombináciou základné chemické prvky prítomné v ranej atmosfére a hydrosfére. Hlavné prvky, ktoré tvoria tento postulát, sú podrobne vysvetlené nižšie:
Zloženie Zeme v jej raných štádiách: Táto teória predpokladá, že na začiatku mala planéta atmosféru bez voľného kyslíka, ale bohatú na iné zložky, najmä vodík (vysoké koncentrácie), takže to bola atmosféra zníženieTáto vlastnosť uľahčila uvoľňovanie atómov vodíka z prítomných chemických zlúčenín, čo podporilo adičné a syntetické reakcie. Okrem toho atmosféra obsahovala aj ďalšie základné chemické zlúčeniny, ako napríklad... kyselina kyanovodíková (HCN), metán (CH4), oxid uhličitý (CO2), voda (H2O) a ďalšie látky. Táto zmes tvorila základ, z ktorého sa vyvinuli prebiotické chemické reakcie, ktoré viedli k vzniku prvých organických zlúčenín.
- Tvorba výživného vývaru: tiež známy ako prvorodená polievka, pozostával z aglomerácie Výživná tekutina bohatá na jednoduché molekuly Vznikla zo všetkých týchto zložiek prvotnej atmosféry rozpustených vo vode. Tento objem kvapaliny dal vzniknúť prvým moriam. Ako sa to stalo? Chemosyntetická teória tvrdí, že v dôsledku postupné ochladzovanie atmosféryVodná para zo sopiek a horúceho povrchu planéty kondenzovala. Kvapôčky vody so sebou niesli plyny a častice a vytvárali polievku bohatú na živiny, ktorá sa hromadila v priehlbinách (primitívnych oceánoch a jazerách), kde dlhodobo zostávala bez rizika hromadného rozkladu v dôsledku absencie kyslíka a rozkladajúcich sa organizmov.
- Vzhľad zložitejších štruktúr: V tomto procese pôsobenie rôznych Zdroje energieako sú búrky, vysokoenergetické slnečné žiarenie a sopečné erupcie. Výsledkom týchto reakcií bol vznik zložitých zložiek, ako napríklad jednoduché cukry, mastné kyseliny, glycerín y aminokyselinyPostupom času chemická evolúcia viedla k vzniku štruktúr, ktoré Oparin nazval koacervujeIe koloidné agregáty organických molekúl odolnejšie a pokročilejšie ako boli prekurzory súčasných nukleových kyselín a vo všeobecnosti živých systémov.
Tvorba koacervátov
Oparin zistil, že v procese evolúcie chemických látok obsiahnutých v tomto prvorodený vývar, ten koacervujektoré boli zložitými druhmi, tvorenými spojenie organických molekúl ako sú jednoduché proteíny, lipidy a polysacharidy. Počas určitých procesov fázového delenia a separácie sa tieto zoskupenia spojili do väčších, stabilnejších štruktúr, čím získali druh membrány, ktorá ich urobila relatívne nezávislými od okolitého prostredia. Týmto spôsobom systémy schopné samosyntéza látok (schopnosť produkovať si časť vlastnej potravy) a s vnútornou organizáciou, ktorá sa vyvíjala do čoraz stabilnejších a komplexnejších foriem, až kým sa nestala skutočnými živými štruktúrami. Podľa chemosyntetickej teórie boli tieto prvotné organizmy pôvodom rastlinného a živočíšneho sveta na našej planéte.
Spočiatku neexistovala ozónová vrstva, ktorá by chránila bunky pred priamym slnečným žiarením. Preto sa predpokladá, že prvé štruktúry mohli vzniknúť a vyvíjať sa týmto spôsobom. opakovane zničený v dôsledku priameho dopadu slnečnej energie. Po miliónoch rokov sa niektoré z týchto prvotných buniek dokázali vyvinúť do zložitejšie organické systémyTo by im umožnilo efektívnejšie sa rozmnožovať. Následne sa niektoré z týchto foriem života začali syntetizujú si potravu zo slnečnej energievykonávaním procesu fotosyntézy a uvoľňovaním molekulárneho kyslíka do atmosféry. Postupom času tento atmosférický kyslík umožnil vznik ozónovej vrstvyčo radikálne zmenilo povrchové podmienky a umožnilo rozšírenie zložitejších foriem života.
Proces tvorby koacervátu je zjednodušene definovaný nižšie:
- Všetko to začína vytvorením organizovaná a relatívne stabilná organická molekula vo vodnom prostredí.
- Postupom času sa vytvorí druhá komplementárna molekula (a makromolekula, ako napríklad peptid alebo jednoduchý polymér) a stáva sa súčasťou koacervátu, čím stabilizuje molekulárny agregát.
- Táto makromolekula alebo ich súbor môže dosiahnuť oddelené od pôvodného koacervátu, pričom si zachováva časť svojej chemickej organizácie.
- Makromolekula, ktorá sa oddelila, sa začína priťahujú ďalšie kompatibilné zlúčeniny a prepojiť ich s ich štruktúrou, čím sa znovu vytvorí nový koacervát s vlastnosťami podobnými pôvodnému. Týmto spôsobom sa procesy rudimentárna replikácia a chemický výber.
Táto hypotéza o koacervátoch sa považuje za základný základ chemosyntetickej teórie pôvodu života v raných štádiách, pred existenciou protobiontov s RNA alebo DNA schopných replikácie mechanizmami podobnými mechanizmom súčasných prokaryotických baktérií.
Predtým, ako pristúpime k podrobnejšiemu určeniu významu pojmu koacerváty, je potrebné pripomenúť si jeho Etymologický pôvodJe to slovo odvodené z latinčiny, konkrétne od slovesa „coacervare“, ktoré sa dá preložiť ako „hromadiť“ alebo „nahromadiť“Tento termín sa presne vzťahuje na akumuláciu alebo zoskupovanie molekúl v koloidných kvapôčkach vo vodnom prostredí.
undefined koacervuje Sú to teda systémy vytvorené spojenie komplexných molekúl ako sú elementárne proteíny a aminokyseliny, spolu s ďalšími organickými zlúčeninami. Tieto systémy sa považujú za modely extrémne primitívne živé bytostikeďže podľa mnohých biológov a biochemikov boli kľúčové pre vývoj života na planéte Zem, aj keď sa z nich nestali kompletné bunky, ako ich poznáme dnes.
Iné predcelulárne modely: sulfobios a proteínové mikrosféruly
V priebehu času rôzni výskumníci navrhli alternatívne alebo doplnkové modely ku koacervátom, aby vysvetlili rané štádiá vzniku života. Hoci tieto modely nemusia nevyhnutne predstavovať skutočné štruktúry, ktoré existovali na ranej Zemi, ukazujú, ako sa život vyvinul z... jednoduché látky Je možné generovať systémy s určitým úroveň organizácie.
Alfonso HerreraMexický vedec, veľmi zaujatý problémom pôvodu života, opísal niektoré predbunkové modely, ktoré nazval „sulfobionty“Tieto sa získali z anorganických zlúčenín, ako napr. tiokyanát amónny a formalínbez použitia už existujúcich biologických látok. Hoci sulfobiolátky pravdepodobne presne nezodpovedajú štruktúram, ktoré predchádzali prvým skutočným bunkám, predstavujú ilustratívny príklad toho, ako môže hmota dosiahnuť vyššie úrovne organizácie počnúc od jednoduchších úrovní. Herrera bol prvým výskumníkom, ktorý používal výlučne nebiologické látky navrhnúť experimentálne modely súvisiace so vznikom života.
Sidney Fox Navrhol ďalší model predbunkových systémov známy ako „proteínové mikroguľôčky“Tieto mikroguľôčky vznikajú sériou chemických reakcií, pri ktorých... aminokyseliny polymerizujú pôsobením teplatvoriace jednoduché peptidové reťazce. Následne, keď sa tieto polyméry rozpustia vo vode za vhodných podmienok pH a koncentrácie soli, majú tendenciu agregovať sa do sférických štruktúr obklopené akousi membránou alebo obalom. Hoci mikrosféruly vykazujú určitú morfologickú podobnosť s bunkami (majú guľovitý tvar, vnútorné a vonkajšie hranice a dokonca aj chemické gradienty), nepovažujú sa za kompletné živé systémy. Napriek tomu ich vznik ponúka cenný pohľad na to, ako mohli vzniknúť prvé organizmy. organizované systémy pred bunkami.
Experimentálne príspevky k „prvotnej polievke“
Okrem koacervátov, sulfobiokov a mikrosférúl bolo vyvinutých množstvo experimentov na overenie vierohodnosti chemosyntetickej teórie. Tieto výskumy sa snažili približne reprodukovať primitívne atmosférické a hydrosférické podmienky a pozorujte, aké typy organických molekúl sa môžu spontánne tvoriť.
Cyril Ponnamperuma Vykonával experimenty, ktoré simulovali primitívna hydrosféra a atmosférana základe všeobecných princípov klasického Miller-Ureyho experimentu. Tento vedec umiestnil banku, v ktorej sa voda odparovala a akumulovala všetky reakčné produkty v redukčnej atmosfére, ktorá pri priamom kontakte s ňou vytvorila to, čo nazval... „Primitívna polievka“V jednom zo svojich experimentov predstavil riešenie kyanovodík (HCN) pôsobeniu ultrafialových lúčov počas niekoľkých dní a zistilo sa, že dusíkaté bázy adenín a guanínzákladné zložky nukleových kyselín prítomných v živých systémoch. Tento výsledok posilnil myšlienku, že za prijateľných podmienok na ranej Zemi bolo možné syntetizovať kľúčové zložky genetického materiálu bez potreby predchádzajúceho biologického zásahu.
Experiment Stanleyho Millera a Harolda Ureyho
Hoci postuláty chemosyntetickej teórie pôvodne stanovili Oparin a Haldane, neskôr dvaja vedci –Stanley Miller y Harold Urey– V zmenšenom laboratórnom experimente, založenom na modeloch svojej doby, znovu vytvorili podmienky primitívnej atmosféry. Aby to dosiahli, vystavili zmesi vodík, metán y amoniak na násobky elektrický šoks cieľom simulovať elektrické búrky, o ktorých sa predpokladá, že boli na ranej Zemi časté. Výsledkom bola syntéza niekoľkých organické kyselinyvrátane aminokyselín.
Základným cieľom tohto testu bolo preukázať, že syntéza organických zlúčenín Mohlo by ísť o spontánny proces, ktorý by vznikal z jednoduchých molekúl prítomných v prvej atmosfére, za predpokladu, že existujú dostatočné zdroje energie. Tento experiment predstavoval jeden z najvplyvnejších empirických dôkazov pre chemosyntetickú teóriu.
Pri návrhu svojho experimentu Miller a Urey použili sklenená nádoba v uzavretom okruhuV experimente bolo určité množstvo vody umiestnené do banky tak, aby bola čiastočne naplnená a spojená s ďalšou komorou obsahujúcou spomínanú zmes plynov. Voda sa zohrievala do varu, čím vznikala para, ktorá cirkulovala do plynovej komory, zatiaľ čo systém elektród generoval elektrické výboje vysokého napätia, ktoré prechádzali zmesou a simulovali prehistorické búrky. Následne para a plyny opäť kondenzovali a vrátili sa do banky s vodou, čím sa cyklus uzavrel. Experiment trval približne jeden týždeň, proces, po ktorom boli analyzované vytvorené produkty.
Prvým náznakom, že došlo k chemickým reakciám, bolo zmena farby vodyktorý bol spočiatku priehľadný a časom nadobudol ružovkastý odtieň, než nakoniec zhnedol. Táto zmena bola interpretovaná ako dôsledok rastúceho koncentrácia aminokyselín a iných organických molekúl syntetizované v systéme. Pomocou chemických analytických techník bolo identifikovaných niekoľko aminokyselín, vrátane glycín y alanín, okrem iných esenciálnych organických zlúčenín.
Tento experiment bol rozhodujúcim príspevkom, ktorý podporuje teóriu, že prvé formy života mohli vzniknúť z spontánne chemické reakcie v primitívnej atmosfére a oceánoch, bez potreby priameho nadprirodzeného zásahu, ale v dôsledku zákonov chémie a fyziky vo vhodnom prostredí.
Obmedzenia overovania
Experimenty vykonané na overenie chemosyntetickej teórie úspešne preukázali, že je pravdepodobný že pôvod života bol taký, ako ho opísali Oparin a Haldane, čo potvrdzujú aj práce výskumníkov ako Miller, Urey, Ponnamperuma, Fox a ďalší. Nemožno však ignorovať skutočnosť, že celý tento proces prebiehal v priebehu času. obrovské časové obdobia, ktorá zahŕňala postupnú transformáciu chémie planéty.
Vzhľadom na toto rozsiahle obdobie, ktoré zahŕňalo celý proces vzniku života na Zemi, sa ukazuje, Nie je možné ho reprodukovať v celom rozsahu a verne. v laboratóriách. Vedci dokážu za určitých predpokladov znovu vytvoriť fragmenty primitívneho scenára a študovať špecifické reakcie, ktoré poskytujú indície o tom, čo sa mohlo stať, ale nedokážu presne zrekonštruovať celý príbeh.
Prekážka času, pridaná k takmer úplná strata priamych dôkazov Nedostatok dobre zachovaných hornín a fosílií z najstarších štádií života stavia výskumníkov pred zložitú situáciu. Možno to nikdy nebude možné s istotou zistiť. s absolútnou presnosťou ako sa vytvorili prvé organizmy, ktoré obývali planétu, ani aká bola presná postupnosť chemických a biologických udalostí.
Napriek tejto nevýhode nám chemosyntetická teória umožnila vyvodiť ucelený a vedecky podložený obraz o tom, čo mohlo byť vznikom života na Zemi. Integráciou údajov z geológie, chémie, molekulárnej biológie a astrobiológie bol vytvorený vysvetľujúci rámec, v ktorom jednoduché molekuly postupne ustupovali, uprednostňované prostredím, komplexným systémom schopným sebareplikácie, metabolizmu a evolúcie. Tento pohľad, ktorý sa neustále reviduje a obohacuje, zostáva jedným z najsilnejších návrhov na pochopenie toho, ako sa inertná hmota mohla premeniť na život na našej planéte.
bibliografia:
- Wetto, Milena (n.d.). Chemosyntetická teória: Vznik života na Zemi:
https://www.lifeder.com/teoria-quimiosintetica/
- Autorské práva. (2008 – 2019) DEFINÍCIA KOACERVÁTOV:
https://definicion.de/coacervados/
- Manuel (Nd) Čo je chemosyntetická teória? Základy a experiment.
https://www.recursosdeautoayuda.com/teoria-quimiosintetica/
- Haldane-Oparin (n.d.). Chemosyntetická teória.
https://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/biologia2/unidad1/teoriaQuimiosintetica
Vďaka všetkým týmto teoretickým a experimentálnym príspevkom sa chemosyntetická teória upevnila ako jedno z najkompletnejších a najpodrobnejších vedeckých vysvetlení pôvodu života, ktoré integruje chémiu primitívnej Zeme, energiu dostupnú v tomto prostredí a inherentnú schopnosť hmoty organizovať sa a vyvíjať sa do čoraz zložitejších foriem.