Људска бића су сложена бића која, поред задовољавања својих основних потреба, захтевају и објашњења за своје постојање и порекло. Из овога произилазе разноврсни постулати, од религиозних и филозофских области до научних. У оквиру научне традиције, постулирана је теорија молекуларне еволуције. хемосинтетичка теоријаЗасновано на студијама научника Александра Опарина и Џона Халдејна, који су, упркос томе што нису радили заједно, дошли до исте хипотезе. Ова хипотеза, коју су формулисали Опарин и Халдејн 1920-их (1924. године у класичном смислу), наставља темеље постављене у теорији Великог праска, супротставља се теорији спонтаног настанка и нуди алтернативу верским теоријама о пореклу живота.
Шта успоставља теорија хемосинтезе?
La хемосинтетичка теорија порекла живота наводи да водоник (H2) присутни у првобитној атмосфери реаговали су са атомима угљеника, азота или кисеоника формирајући Хранљива чорба богата једноставним органским једињењимаОва чорба, такође названа примитивна супа o прворођена чорбаПри контакту са различитим изворима примитивне енергије (муња, ултраљубичасто зрачење, вулканска топлота), дошло је до неколико амино киселинеОви молекули чине основне градивне блокове органског живота. Током огромних временских периода, ови молекули су се комбиновали, организовали и постајали сложенији док нису формирали молекуларни агрегати са метаболичком активношћуТо јест, системи способни да обављају процесе сличне онима код најједноставнијих живих организама данас.
Другим речима, хемосинтетичка теорија предлаже да је, под атмосферским и енергетским условима који су доминирали Земљом током њених првих милијарди година, започео процес живота заснованог на угљенику. абиотска синтеза органских молекулаВременом су се ови молекули формирали организоване структуре (коацервати, протобионти, протеинске микросфере, сулфобиони, према различитим ауторима) који су прогресивно стицали својства као што су исхрана, излучивање, репродукција и складиштење генетских информација, омогућавајући тако настанак првих ћелија.
Хемосинтетичка теорија: како је живот настао на Земљи?
Према најшире прихваћеној космолошкој теорији, универзум је настао из изузетно густог и врућег стања, и временом су се формирале галаксије, звезде и планете. У том контексту, Примитивна земља Изашла је из великог облака водоника и других лаких елемената. Истовремено, формирали су се Сунце и остале планете Сунчевог система, а млада планета је доживела период интензивне геолошке и вулканске активности.
У почетку, Температура Земље Било је изузетно високо, али се мало по мало охладило и примитивни океани од кондензације водене паре. У то време, атмосфера се веома разликовала од данашње: у њој је доминирала водена пара, метан (ЦХ4), амонијак (НХ3), угљен диоксид (ЦО2) и молекуларни водоник (H2Ова мешавина гасова је чинила атмосферу првенствено редукторвеома различита од тренутне оксидативне атмосфере богате кисеоником.
За разлику од онога што се дешава данас, у тој почетној фази није било озонски омотач који данас штити Земљину површину од већег дела ултраљубичастог зрачења. Стога су све врсте зрачења директно допирале до Земљине површине, укључујући ултраљубичасте и инфрацрвене зраке. Поред тога, интензивна вулканска активност, удари метеорита и честе грмљавине допринели су огромне количине енергијеУ овом веома динамичном и енергичном сценарију, прва органска једињења у примитивним океанима - као што су једноставни угљени хидрати, липиди y амино киселине– могли су се формирати и уништавати изнова и изнова док, коначно, неке комбинације не постигну одређени хемијска стабилност што је погодовало његовој акумулацији и еволуцији.
Милионима година ове супстанце су се хемијски комбиновале једна са другом, формирајући све сложенији молекули које су, према Опарину, биле ограничене неком врстом спонтана мембранаОве групе молекула са одређеним степеном организације и одвојености од средине назване су протобионтиПостојање ових примитивних система трајало би дуге временске периоде и, током генерација, неки од њих су стекли карактеристике живих бића, као што је способност да хранити, излучивати отпад y расаОвај последњи процес је укључивао појаву молекула способних за складиштење и преношење генетских информација, као што су нуклеинске киселине.
Са еволуционе тачке гледишта, ови протобионти су претходили прве једноставне ћелије који су се појавили касније. Верује се да су прва жива бића која су се појавила на Земљи била веома слична одређеним тренутне бактеријеЈедноћелијски, прокариотски, веома једноставни организми који су се хранили органским једињењима која су већ постојала у окружењу (хетеротрофи) и који су се временом диверзификовали и постајали сложенији све док нису настали вишећелијски организми.
Услови у атмосфери према хемосинтетским постулатима
Хемосинтетичка теорија тврди да примитивна атмосфера Морало је да има карактеристике које би подстакле смањење реакција, будући да је, да је постојала атмосфера са оксидативним тенденцијама сличним тренутној, компоненте "Прворођена чорба" Брзо би се разградили. Из тог разлога, научници који су предложили разне еволуционе теорије тврде да су, под почетним условима планете, Није могло бити значајних количина слободног кисеоникапошто реакције оксидације не би подстакле прогресивни развој живота из нестабилних органских једињења.
Ова редукциона атмосфера се делимично објашњава превлашћу гасова као што су водоник, метан, амонијак и водена пара, заједно са другим једињењима попут водоник цијанида. У одсуству молекуларног кисеоника (O₂),2) и озонски омотач који би филтрирао зрачење, високофреквентну соларну енергију и електрична пражњења могли би директно деловати на ове гасове, прекидање веза и фаворизујући формирање нових молекула. Ово је створило хемијско окружење у којем реакције органске синтезе Били су термодинамички могући и могли су се континуирано одржавати.
Основи теорије хемосинтезе
Фаза постулирања низа теорија које су раскинуле са претходним теорија спонтане генерације (широко прихваћено у то време) је обједињено из студија француског научника Луја Пастера, који је 1864. године у својим експериментима показао да „Жива бића настају од живих бића“Ови резултати су оповргнули идеју да би организми могли настати одмах из инертне материје под садашњим условима и отворили пут тражењу сложенијих и кохерентнијих објашњења о пореклу живота у далекој прошлости, под веома различитим условима.
Међу овим новим објашњењима је и хемосинтетичка теоријакоја наводи да је живот настао реакцијом и комбинацијом основни хемијски елементи присутни у раној атмосфери и хидросфери. Главни елементи који чине овај постулат детаљно су објашњени у наставку:
Састав Земље у њеним раним фазама: Ова теорија сматра да је на почетку планета имала атмосферу без слободног кисеоника, али богату другим компонентама, углавном водоником (високе концентрације), тако да је то била атмосфера смањивањеОва карактеристика је олакшала ослобађање атома водоника из присутних хемијских врста, фаворизујући реакције адиције и синтезе. Поред тога, атмосфера је садржала и друга основна хемијска једињења као што су... цијановодонична киселина (ХЦН), метан (ЦХ4), угљен диоксид (ЦО2), вода (H2О) и других супстанци. Ова смеша је формирала основу из које ће се развити пребиотичке хемијске реакције које су довеле до првих органских једињења.
- Формирање хранљиве јухе: такође познат као прворођена чорба, састојао се од агломерације Хранљива течност богата једноставним молекулима Формирале су га све ове компоненте примитивне атмосфере растворене у води. Ова запремина течности дала је појаву првих мора. Како се то догодило? Хемосинтетичка теорија тврди да, као последица прогресивно хлађење атмосфереВодена пара из вулкана и вруће површине планете се кондензовала. Капљице воде су са собом носиле гасове и честице, формирајући супу богату хранљивим материјама која се акумулирала у удубљењима (примитивним океанима и језерима) где је остајала дуже време без ризика од масовног распадања због одсуства кисеоника и организама који се распадају.
- Изглед сложенијих структура: У овом процесу, деловање разних Извори енергијекао што су грмљавине, високоенергетско сунчево зрачење и вулканске ерупције. Резултат ових реакција био је формирање сложених компоненти као што су једноставни шећери, масне киселине, глицерин y амино киселинеВременом је хемијска еволуција довела до структура које је Опарин назвао коацервати, то јест, колоидни агрегати органских молекула отпорнији и напреднији него што су били прекурсори тренутних нуклеинских киселина и, уопште, живих система.
Стварање коацервата
Опарин је утврдио да је, у процесу еволуције хемијских врста садржаних у том прворођена чорба, тај/та/то коацерватикоје су биле сложене врсте, формиране од стране сједињење органских молекула као што су једноставни протеини, липиди и полисахариди. Током одређених процеса фазне поделе и раздвајања, ове групе су се спајале у веће, стабилније структуре, чиме су стекле неку врсту мембране која их је чинила релативно независним од околне средине. На овај начин, системи способни за самосинтеза супстанци (способност да сами производе део своје хране) и са унутрашњом организацијом, која би еволуирала у све стабилније и сложеније облике док не постану праве живе структуре. Према хемосинтетској теорији, ови првобитни организми су били порекло биљног и животињског света на нашој планети.
У почетку није постојао озонски омотач који би штитио ћелије од директне сунчеве светлости. Стога се верује да су се прве структуре можда формирале и развијале на овај начин. више пута уништаван због директног утицаја сунчеве енергије. Након милиона година, неке од тих првобитних ћелија су могле да еволуирају у сложенији органски системиТо би им омогућило да се ефикасније размножавају. Након тога, неки од ових облика живота почели су синтетишу храну из соларне енергијеспровођењем процеса фотосинтезе и ослобађањем молекуларног кисеоника у атмосферу. Временом је овај атмосферски кисеоник омогућио формирање озонски омотачшто је радикално изменило површинске услове и омогућило ширење сложенијих облика живота.
Процес формирања коацервата је поједностављено дефинисан у наставку:
- Све почиње формирањем једног организован и релативно стабилан органски молекул у воденој средини.
- Како време пролази, формира се други комплементарни молекул (а макромолекул, као што је пептид или једноставан полимер) и постаје део коацервата, стабилизујући молекуларни агрегат.
- Овај макромолекул, или скуп њих, може достићи одвојено од оригиналног коацервата, одржавајући део своје хемијске организације.
- Макромолекул који се одвојио почиње да привлаче друга компатибилна једињења и повезати их са њиховом структуром, чиме се поново ствара нови коацерват са својствима сличним оригиналу. На овај начин, процеси рудиментарна репликација и хемијску селекцију.
Ова хипотеза о коацерватима сматра се фундаменталном основом хемосинтетске теорије о настанку живота у раним фазама, пре постојања протобионта са РНК или ДНК способним за репликацију механизмима сличнијим онима данашњих прокариотских бактерија.
Пре него што детаљније размотримо значење термина коацервати, потребно је подсетити се његовог Етимолошко пореклоТо је реч која потиче из латинског језика, тачније од глагола „coacervare“, што се може превести као „нагомилати“ или „гомилати“Термин се односи прецизно на акумулацију или груписање молекула у колоидним капљицама унутар водене средине.
Л коацервати Стога су то системи које формирају сједињење сложених молекула као што су елементарни протеини и аминокиселине, заједно са другим органским једињењима. Ови системи се сматрају моделима изузетно примитивна жива бићабудући да су, према многим биолозима и биохемичарима, били кључни у развоју живота на планети Земљи, иако нису постали комплетне ћелије какве данас познајемо.
Други прећелијски модели: сулфобиози и протеинске микросферуле
Временом су разни истраживачи предложили алтернативне или комплементарне моделе коацерватима како би објаснили ране фазе настанка живота. Иако ови модели не представљају нужно стварне структуре које су постојале на раној Земљи, они показују како је живот еволуирао из... једноставне супстанце Могуће је генерисати системе са одређеним ниво организације.
Алфонсо ХеррераМексички научник, веома заинтересован за проблем порекла живота, описао је неке прећелијске моделе које је назвао „сулфобионти“Добијају се из неорганских једињења као што су амонијум тиоцијанат и формалинбез прибегавања већ постојећим биолошким супстанцама. Иако је мало вероватно да сулфобиози тачно представљају структуре које су претходиле првим правим ћелијама, они представљају илустративан пример како материја може постићи виши нивои организације почевши од једноставнијих нивоа. Херера је био први истраживач који је користио искључиво небиолошке супстанце да дизајнирају експерименталне моделе везане за порекло живота.
Сидни Фокс Он је предложио још један модел прећелијских система познат као „протеинске микросфере“Ове микросфере настају кроз низ хемијских реакција у којима аминокиселине полимеризују под дејством топлотеформирајући једноставне пептидне ланце. Након тога, када се растворе у води под одговарајућим условима pH и концентрације соли, ови полимери имају тенденцију да агрегирати се у сферне структуре окружене неком врстом мембране или покривача. Иако микросферуле показују извесну морфолошку сличност са ћелијама (имају сферни облик, унутрашње и спољашње границе, па чак и хемијске градијенте), оне се не сматрају комплетним живим системима. Ипак, њихово формирање пружа драгоцен увид у то како су први организми могли настати. организовани системи пре ћелија.
Експериментални доприноси о „првобитној супи“
Поред коацервата, сулфобиоса и микросферула, развијени су бројни експерименти како би се тестирала вероватноћа хемосинтетске теорије. Ова истраживања су настојала да репродукују, приближно, примитивни атмосферски и хидросферски услови и посматрајте које врсте органских молекула могу да се формирају спонтано.
Кирил Понамперума Спроводио је експерименте који су симулирали примитивна хидросфера и атмосферана основу општих принципа класичног Милеровог-Јуријевог експеримента. Овај научник је ставио тиквицу у којој је вода испаравала и акумулирала све производе реакције у редукционој атмосфери која је, у директном контакту са њом, формирала оно што је он назвао „Примитивна супа“У једном од својих експеримената, представио је решење за цијановодоник (HCN) дејству ултраљубичастих зрака током неколико дана и открио да је азотне базе аденин и гуанинесенцијалне компоненте нуклеинских киселина присутних у живим системима. Овај резултат је потврдио идеју да је, под могућим условима на раној Земљи, било могуће синтетизовати кључне компоненте генетског материјала без потребе за претходном биолошком интервенцијом.
Експеримент Стенлија Милера и Харолда Јурија
Иако су постулате хемосинтетске теорије првобитно поставили Опарин и Халдејн, касније су два научника –Станлеи Миллер y Харолд Уреи– Рекреирали су услове примитивне атмосфере у умањеном лабораторијском експерименту, заснованом на моделима свог времена. Да би то урадили, подвргли су мешавини водоник, метан y амонијак на вишеструке струјни ударса циљем симулације електричних олуја за које се верује да су биле честе на раној Земљи. Резултат је био синтеза неколико органске киселинеукључујући аминокиселине.
Основна сврха овог теста била је да се покаже да је синтеза органских једињења Могао би бити спонтани процес који се одвија из једноставних молекула присутних у првој атмосфери, под условом да постоје одговарајући извори енергије. Овај експеримент је представљао једну од најутицајнијих емпиријских подршки за хемосинтетску теорију.
За дизајн свог експеримента, Милер и Јури су користили стаклена посуда у затвореном кругуУ експерименту, одређена количина воде је смештена у боцу тако да је делимично напуњена и повезана са другом комором која је садржала поменуту смешу гасова. Вода је загрејана до кључања, производећи пару која је циркулисала у гасној комори, док је систем електрода генерисао високонапонска електрична пражњења која су пролазила кроз смешу, симулирајући праисторијске олује. Након тога, пара и гасови су се поново кондензовали и враћали у боцу са водом, чиме је циклус затворен. Експеримент је трајао отприлике једну недељу, процес након којег су анализирани формирани производи.
Први показатељ да су се одвијале хемијске реакције био је промена боје водекоји је у почетку био провидан, а временом је добио ружичасту нијансу пре него што је коначно постао смеђ. Ова промена је протумачена као последица растућег концентрација аминокиселина и других органских молекула синтетизовано у систему. Неколико аминокиселина је идентификовано коришћењем техника хемијске анализе, укључујући глицинија y аланин, поред других есенцијалних органских једињења.
Овај експеримент је био одлучујући допринос који подржава теорију да су се први облици живота могли формирати из спонтане хемијске реакције у примитивној атмосфери и океанима, без потребе за директном натприродном интервенцијом, већ као резултат закона хемије и физике у одговарајућем окружењу.
Ограничења за верификацију
Експерименти спроведени ради тестирања хемосинтетске теорије успешно су показали да је то веродостојан да је порекло живота било онакво како су га описали Опарин и Халдејн, што је потврђено радом истраживача као што су Милер, Јури, Понамперума, Фокс и други. Међутим, чињеница да се цео овај процес одвијао током времена не може се игнорисати. огромни временски периоди, што је обухватало постепену трансформацију хемије планете.
Због овог опсежног временског периода, који је обухватио цео процес настанка живота на Земљи, испоставља се Немогуће га је репродуковати у целости и верно. унутар лабораторија. Научници могу само да рекреирају фрагменте примитивног сценарија под одређеним претпоставкама и да проучавају специфичне реакције које пружају назнаке о томе шта се могло догодити, али не могу тачно да реконструишу целу причу.
Препрека времена, додата томе готово потпуни губитак директних доказа Недостатак добро очуваних стена и фосила из најранијих фаза живота ставља истраживаче пред сложен сценарио. Можда никада неће бити могуће са сигурношћу знати. са апсолутном прецизношћу како су се формирали први организми који су насељавали планету, нити какав је био тачан редослед хемијских и биолошких догађаја.
Упркос овом недостатку, хемосинтетичка теорија нам је омогућила да извучемо кохерентна и научно утемељена слика о томе шта је могло бити настанак живота на Земљи. Интегришући податке из геологије, хемије, молекуларне биологије и астробиологије, конструисан је објашњавајући оквир у којем једноставни молекули постепено уступају место, фаворизовани окружењем, сложеним системима способним за саморепликацију, метаболизам и еволуцију. Овај став, који се стално ревидира и обогаћује, остаје један од најснажнијих предлога за разумевање како се инертна материја могла трансформисати у живот на нашој планети.
Библиографија:
- Вето, Милена (н.д.). Хемосинтетичка теорија: Појава живота на Земљи:
https://www.lifeder.com/teoria-quimiosintetica/
- Ауторска права. (2008-2019) ДЕФИНИЦИЈА КОАЦЕРВАТА:
https://definicion.de/coacervados/
- Мануел (Нд) Шта је хемосинтетичка теорија? Основе и експеримент.
https://www.recursosdeautoayuda.com/teoria-quimiosintetica/
- Халдан-Опарин (н.д.). Хемосинтетичка теорија.
https://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/biologia2/unidad1/teoriaQuimiosintetica
Са свим овим теоријским и експерименталним доприносима, хемосинтетичка теорија је консолидована као једно од најкомплетнијих и најдетаљнијих научних објашњења о пореклу живота, интегришући хемију примитивне Земље, енергију доступну у том окружењу и инхерентну способност материје да се организује и еволуира у све сложеније облике.