Човешките същества са сложни образувания, които освен че задоволяват основните си нужди, изискват и обяснения за своето съществуване и произход. От това произтичат разнообразни постулати, вариращи от религиозни и философски области до научни. В рамките на научната традиция е постулирана теория за молекулярната еволюция. хемосинтетична теорияБазирано на изследванията на учените Александър Опарин и Джон Халдейн, които, въпреки че не са работили заедно, са стигнали до една и съща хипотеза. Тази хипотеза, формулирана от Опарин и Халдейн през 1920-те години на миналия век (1924 г. в класически план), продължава основите, заложени в теорията за Големия взрив, противопоставя се на теорията за спонтанното зараждане и предлага алтернатива на религиозните теории за произхода на живота.
Какво установява хемосинтетичната теория?
La хемосинтетичната теория за произхода на живота заявява, че водородът (H2), присъстващи в първичната атмосфера, реагират с въглеродни, азотни или кислородни атоми, образувайки Хранителен бульон, богат на прости органични съединенияТози бульон, наричан още примитивна супа o първородна супаПри контакт с различни източници на примитивна енергия (мълнии, ултравиолетова радиация, вулканична топлина), това е довело до няколко аминокиселиниТези молекули представляват основните градивни елементи на органичния живот. В продължение на огромни периоди от време тези молекули са се комбинирали, организирали и ставали по-сложни, докато не са се образували молекулярни агрегати с метаболитна активностТоест, системи, способни да извършват процеси, подобни на тези на най-простите живи организми днес.
С други думи, хемосинтетичната теория предполага, че при атмосферните и енергийни условия, които са доминирали на Земята през първите милиарди години, е започнал процесът на живот, базиран на въглерод. абиотичен синтез на органични молекулиС течение на времето тези молекули се образуваха организирани структури (коацервати, протобионти, протеинови микросфери, сулфобиози, според различни автори), които постепенно са придобили свойства като хранене, отделяне, размножаване и съхранение на генетична информация, като по този начин са позволили появата на първите клетки.
Хемосинтетичната теория: как е възникнал животът на Земята?
Според най-широко приетата космологична теория, Вселената е възникнала от изключително плътно и горещо състояние и с течение на времето са се образували галактики, звезди и планети. В този контекст, Примитивна земя Тя се е появила от голям облак от водороден газ и други леки елементи. Едновременно с това са се образували Слънцето и другите планети на Слънчевата система, а младата планета е преживяла период на интензивна геоложка и вулканична активност.
В началото, Температурата на Земята Беше изключително високо, но малко по малко се охлади и първични океани от кондензацията на водни пари. По това време атмосферата е била много различна от днешната: тя е била доминирана от водна пара, на метан (СН4), амоняк (NH3), въглероден диоксид (CO2) и на молекулярен водород (H2Тази смес от газове представляваше атмосфера предимно от редуктормного различна от сегашната окислителна атмосфера, богата на кислород.
За разлика от това, което се случва днес, в тази начална фаза не е имало озонов слой която днес предпазва земната повърхност от голяма част от ултравиолетовата радиация. Следователно всички видове радиация са достигали директно до земната повърхност, включително ултравиолетовите и инфрачервените лъчи. Освен това, интензивната вулканична активност, ударите на метеорити и честите гръмотевични бури са допринесли за това. огромни количества енергияВ този силно динамичен и енергичен сценарий, първите органични съединения в примитивните океани – като например прости въглехидрати, липиди y аминокиселини– те биха могли да се формират и да бъдат унищожавани отново и отново, докато накрая някои комбинации постигнат определен химическа стабилност което благоприятстваше неговото натрупване и еволюция.
В продължение на милиони години тези вещества са се комбинирали химически помежду си, образувайки все по-сложни молекули които според Опарин са били ограничени от един вид спонтанна мембранаТези групи от молекули с определена степен на организация и отделяне от средата се наричат протобионтиСъществуването на тези примитивни системи би продължило дълги периоди от време и през поколенията някои от тях са придобили характеристики на живи същества, като например способността да възпитавам, отделям отпадъци y породаТози последен процес включва появата на молекули, способни да съхраняват и предават генетична информация, като например нуклеинови киселини.
От еволюционна гледна точка, тези протобионти са предшествали първите прости клетки които се появиха по-късно. Смята се, че първите живи същества, появили се на Земята, са били много подобни на определени настоящи бактерииЕдноклетъчни, прокариотни, много прости организми, които се хранят с органични съединения, вече съществуващи в околната среда (хетеротрофи), и които с течение на времето се диверсифицират и стават по-сложни, докато не доведат до многоклетъчни организми.
Атмосферни условия според хемосинтетичните постулати
Хемосинтетичната теория твърди, че примитивна атмосфера Трябваше да притежава характеристики, които биха насърчили редуциращи реакции, тъй като, ако е имало атмосфера с окислителни тенденции, подобни на сегашната, компонентите на "Първородна супа" Те биха се разградили бързо. Поради тази причина учените, които са предложили различните еволюционни теории, твърдят, че при първоначалните условия на планетата, Не е възможно да е имало значителни количества свободен кислородтъй като окислителните реакции не биха насърчили прогресивното развитие на живота от нестабилни органични съединения.
Тази редукционна атмосфера се обяснява отчасти с преобладаването на газове като водород, метан, амоняк и водна пара, както и на други съединения като циановодород. При липса на молекулярен кислород (O₂),2) и озонов слой, който би филтрирал радиацията, високочестотната слънчева енергия и електрическите разряди, биха могли да действат директно върху тези газове, прекъсване на връзки и благоприятствайки образуването на нови молекули. Това създаде химическа среда, в която реакции на органичен синтез Те бяха термодинамично възможни и можеха да се поддържат непрекъснато.
Основи на теорията на хемосинтеза
Етапът на постулиране на поредица от теории, които скъсват с прецедентите на теория на спонтанното зараждане (широко прието по онова време) е консолидирано от изследванията на френския учен Луи Пастьор, който през 1864 г. демонстрира в своите експерименти, че „Живите същества произлизат от живи същества“Тези резултати опровергаха идеята, че организмите могат да възникнат незабавно от инертна материя при настоящите условия, и проправиха пътя за търсене на по-сложни и последователни обяснения за произхода на живота в далечното минало, при много различни условия.
Сред тези нови обяснения е хемосинтетична теорияв което се твърди, че животът е възникнал от реакцията и комбинацията от основни химични елементи присъстващи в ранната атмосфера и хидросфера. Основните елементи, които съставляват този постулат, са обяснени подробно по-долу:
Състав на Земята в ранните ѝ етапи: Тази теория приема, че в началото планетата е имала атмосфера, лишена от свободен кислород, но богата на други компоненти, главно водород (високи концентрации), така че беше атмосфера намаляванеТази характеристика улеснява освобождаването на водородни атоми от присъстващите химични съединения, благоприятствайки реакциите на присъединяване и синтез. Освен това, атмосферата съдържаше и други основни химични съединения, като например... циановодородна киселина (HCN), метан (СН4), въглероден диоксид (CO2), вода (H2O) и други вещества. Тази смес формира основата, от която ще се развият предбиотичните химични реакции, довели до първите органични съединения.
- Образуване на хранителния бульон: известен също като първородна супа, състояща се от агломерация на Хранителна течност, богата на прости молекули Тя се е образувала от всички тези компоненти на примитивната атмосфера, разтворени във вода. Този обем течност е дал началото на първите морета. Как се случи това? Хемосинтетичната теория твърди, че в резултат на прогресивно охлаждане на атмосфератаВодните пари от вулканите и горещата повърхност на планетата се кондензираха. Водните капчици носеха със себе си газове и частици, образувайки богата на хранителни вещества супа, която се натрупваше в депресии (примитивни океани и езера), където оставаше за дълги периоди без риск от масово разлагане поради липсата на кислород и разлагащи се организми.
- Външен вид на по-сложни конструкции: В този процес действието на различни Енергиен източниккато гръмотевични бури, високоенергийна слънчева радиация и вулканични изригвания. Резултатът от тези реакции е образуването на сложни компоненти като прости захари, мастни киселини, глицерин y аминокиселиниС течение на времето химическата еволюция е довела до появата на структури, които Опарин е нарекъл коацерватиТ.е. колоидни агрегати на органични молекули по-устойчиви и по-напреднали от предшествениците на съвременните нуклеинови киселини и като цяло на живите системи.
Образуване на коацервати
Опарин установил, че в процеса на еволюция на химичните видове, съдържащи се в това първороден бульон, на коацерватикоито са били сложни видове, образувани от съюз на органични молекули като прости протеини, липиди и полизахариди. По време на определени процеси на фазово разделяне и разделяне, тези групи се обединяват в по-големи, по-стабилни структури, като по този начин придобиват вид мембрана, която ги прави относително независими от околната среда. По този начин системите, способни на самосинтез на вещества (способността да произвеждат част от собствената си храна) и с вътрешна организация, която ще еволюира във все по-стабилни и сложни форми, докато се превърне в истински живи структури. Според хемосинтетичната теория, тези първични организми са произходът на растителния и животинския свят на нашата планета.
Първоначално не е имало озонов слой, който да предпазва клетките от пряка слънчева светлина. Следователно се смята, че първите структури може да са се образували и развивали по този начин. унищожаван многократно поради директното въздействие на слънчевата енергия. След милиони години някои от тези първични клетки са успели да еволюират в по-сложни органични системиТова би им позволило да се размножават по-ефективно. Впоследствие някои от тези форми на живот започнали синтезират храната си от слънчева енергиячрез осъществяване на процеса на фотосинтеза и освобождаване на молекулярен кислород в атмосферата. С течение на времето този атмосферен кислород е позволил образуването на озонов слойкоето радикално промени повърхностните условия и позволи разширяването на по-сложни форми на живот.
Процесът на образуване на коацервати е дефиниран по опростен начин по-долу:
- Всичко започва с формирането на организирана и относително стабилна органична молекула във водната среда.
- С течение на времето се образува втора комплементарна молекула (a макромолекула, като например пептид или прост полимер) и той става част от коацервата, стабилизирайки молекулярния агрегат.
- Тази макромолекула, или набор от тях, може да достигне отделен от оригиналния коацерват, запазвайки част от химическата си организация.
- Макромолекулата, която се е отделила, започва да привличат други съвместими съединения и да ги свържат със структурата им, като по този начин пресъздадат нов коацерват със свойства, подобни на оригинала. По този начин, процесите на рудиментарна репликация и химическа селекция.
Тази хипотеза за коацерватите се счита за фундаментална основа на хемосинтетичната теория за произхода на живота в ранните етапи, преди съществуването на протобионти с РНК или ДНК, способни да се репликират чрез механизми, по-подобни на тези на съвременните прокариотни бактерии.
Преди да се пристъпи към по-подробно определяне на значението на термина коацервати, е необходимо да се припомни неговото Етимологичен произходТова е дума, която произлиза от латински, по-специално от глагола „coacervare“, който може да се преведе като „натрупвам“ или „натрупвам“Терминът се отнася точно до натрупването или групирането на молекули в колоидни капчици във водна среда.
Лос коацервати Следователно, те са системи, образувани от съюз на сложни молекули като елементарни протеини и аминокиселини, заедно с други органични съединения. Тези системи се считат за модели на изключително примитивни живи съществатъй като според много биолози и биохимици те са били ключови за развитието на живота на планетата Земя, въпреки че не са се превърнали в пълноценни клетки, каквито ги познаваме днес.
Други предклетъчни модели: сулфобиози и протеинови микросфери
С течение на времето различни изследователи са предложили алтернативни или допълващи модели на коацерватите, за да обяснят ранните етапи от произхода на живота. Въпреки че тези модели не представят непременно действителните структури, съществували на ранната Земя, те показват как животът е еволюирал от... прости вещества Възможно е да се генерират системи с определен ниво на организация.
Алфонсо ЕрераМексикански учен, силно заинтересован от проблема за произхода на живота, описа някои предклетъчни модели, които той нарече „сулфобионти“Те са получени от неорганични съединения, като например амониев тиоцианат и формалинбез да се прибягва до вече съществуващи биологични вещества. Въпреки че е малко вероятно сулфобиите да представят точно структури, предшестващи първите истински клетки, те представляват илюстративен пример за това как материята може да постигне по-високи нива на организация започвайки от по-прости нива. Ерера е първият изследовател, който използва изключително небиологични вещества да се проектират експериментални модели, свързани с произхода на живота.
Сидни Фокс Той предложи друг модел на предклетъчни системи, известен като „протеинови микросфери“Тези микросфери се генерират чрез серия от химични реакции, при които аминокиселините полимеризират под действието на топлинаобразувайки прости пептидни вериги. Впоследствие, когато се разтворят във вода при подходящи условия на pH и концентрация на сол, тези полимери са склонни да да се агрегират в сферични структури обградени от вид мембрана или покритие. Въпреки че микросферулите показват известно морфологично сходство с клетките (имат сферична форма, вътрешни и външни граници и дори химични градиенти), те не се считат за завършени живи системи. Въпреки това, тяхното образуване предлага ценна информация за това как може да са възникнали първите организми. организирани системи преди клетките.
Експериментални приноси върху „първичната супа“
В допълнение към коацерватите, сулфобиозите и микросферите, са разработени множество експерименти за проверка на правдоподобността на хемосинтетичната теория. Тези изследвания са се стремили да възпроизведат приблизително примитивни атмосферни и хидросферни условия и наблюдавайте какви видове органични молекули могат да се образуват спонтанно.
Кирил Понамперума Той провежда експерименти, симулиращи примитивна хидросфера и атмосферабазиран на общите принципи на класическия експеримент на Милър-Юри. Този учен постави колба, в която водата се изпари и натрупа всички реакционни продукти в редукционна атмосфера, която при директен контакт с нея образува това, което той нарече „примитивна супа“В един от своите експерименти той представи решение на циановодород (HCN) на действието на ултравиолетовите лъчи в продължение на няколко дни и установи, че азотни бази аденин и гуаниносновни компоненти на нуклеиновите киселини, присъстващи в живите системи. Този резултат затвърди идеята, че при правдоподобни условия на ранната Земя е било възможно да се синтезират ключови компоненти на генетичния материал без нужда от предварителна биологична намеса.
Експериментът на Стенли Милър и Харолд Юри
Въпреки че постулатите на хемосинтетичната теория първоначално са били формулирани от Опарин и Халдейн, по-късно двама учени –Стенли Милър y Харолд Юри– Те пресъздадоха условията на примитивната атмосфера в умален лабораторен експеримент, базиран на моделите от тяхното време. За да направят това, те подложиха смес от водород, метан y амоняк на кратни токов ударс цел симулиране на електрическите бури, за които се смята, че са били чести на ранната Земя. Резултатът е синтез на няколко органични киселинивключително аминокиселини.
Основната цел на този тест беше да се демонстрира, че синтез на органични съединения Това би могло да бъде спонтанен процес, протичащ от прости молекули, присъстващи в първата атмосфера, при условие че има адекватни енергийни източници. Този експеримент представлява една от най-влиятелните емпирични подкрепа за хемосинтетичната теория.
За дизайна на своя експеримент Милър и Юри използвали стъклен контейнер в затворен контурВ експеримента определено количество вода е поставено в колба, така че да е частично напълнена и свързана с друга камера, съдържаща гореспоменатата газова смес. Водата е нагрята до кипене, произвеждайки пара, която циркулира в газовата камера, докато система от електроди генерира високоволтови електрически разряди, които преминават през сместа, симулирайки праисторически бури. Впоследствие парата и газовете отново се кондензират и се връщат в колбата с вода, като по този начин затварят цикъла. Експериментът е продължил приблизително една седмица, процес, след който образуваните продукти бяха анализирани.
Първият признак, че са протичали химични реакции, е промяна в цвета на водатакойто първоначално е бил прозрачен и с течение на времето е придобил розов оттенък, преди накрая да стане кафяв. Тази промяна е била интерпретирана като следствие от нарастващото концентрация на аминокиселини и други органични молекули синтезирани в системата. Няколко аминокиселини бяха идентифицирани с помощта на техники за химичен анализ, включително глицин y аланин, в допълнение към други важни органични съединения.
Този експеримент беше решаващ принос в подкрепа на теорията, че първите форми на живот биха могли да се образуват от спонтанни химични реакции в примитивната атмосфера и океаните, без нужда от пряка свръхестествена намеса, а в резултат на законите на химията и физиката в подходяща среда.
Ограничения за проверка
Експерименти, проведени за тестване на хемосинтетичната теория, успешно демонстрираха, че тя е... правдоподобен че произходът на живота е такъв, какъвто го описват Опарин и Халдейн, подкрепен от работата на изследователи като Милър, Юри, Понамперума, Фокс и други. Фактът обаче, че целият този процес е протичал с течение на времето, не може да бъде пренебрегнат. огромни периоди от време, което обхващаше постепенната трансформация на химичния състав на планетата.
Поради този обширен период от време, който обхваща целия процес на възникване на живота на Земята, се оказва, че Невъзможно е да се възпроизведе изцяло и вярно. в лаборатории. Учените могат да пресъздадат фрагменти от примитивния сценарий само при определени предположения и да изучават специфични реакции, които дават улики за това какво може да се е случило, но не могат точно да реконструират цялата история.
Препятствието на времето, добавено към почти пълна загуба на преки доказателства Липсата на добре запазени скали и фосили от най-ранните етапи на живота поставя изследователите пред сложен сценарий. Може никога да не е възможно да се знае със сигурност. с абсолютна прецизност как са се образували първите организми, обитавали планетата, нито каква е била точната последователност от химични и биологични събития.
Въпреки този недостатък, хемосинтетичната теория ни позволи да направим съгласуван и научно обоснован образ за това, което би могло да е било генезисът на живота на Земята. Интегрирайки данни от геологията, химията, молекулярната биология и астробиологията, е изградена обяснителна рамка, в която простите молекули постепенно отстъпват място, облагодетелствани от околната среда, на сложни системи, способни на самовъзпроизвеждане, метаболизъм и еволюция. Тази гледна точка, постоянно преразглеждана и обогатявана, остава едно от най-стабилните предложения за разбиране как инертната материя би могла да се трансформира в живот на нашата планета.
Библиография:
- Вето, Милена (н.д.). Хемосинтетична теория: Възникването на живота на Земята:
https://www.lifeder.com/teoria-quimiosintetica/
- Авторско право. (2008-2019) ДЕФИНИЦИЯ НА КОАЦЕРВАТИ:
https://definicion.de/coacervados/
- Мануел (Nd) Какво представлява хемосинтетичната теория? Основи и експеримент.
https://www.recursosdeautoayuda.com/teoria-quimiosintetica/
- Халдейн-Опарин (n.d.). Хемосинтетична теория.
https://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/biologia2/unidad1/teoriaQuimiosintetica
С всички тези теоретични и експериментални приноси, хемосинтетичната теория се утвърждава като едно от най-пълните и подробни научни обяснения за произхода на живота, интегрирайки химията на примитивната Земя, енергията, налична в тази среда, и присъщата способност на материята да се организира и да еволюира във все по-сложни форми.