Livets ursprung: Modern livets ursprungsteori

Läs den här artikeln för att lära dig om Modern Theory, även känd som Oparin-Haldane Theory of Origin of Life!

Modern Teori eller Oparin-Haldane Livets Ursprungsteori:

Enligt denna teori uppstod livet på tidig jord genom fysikalisk-kemiska processer av atomer som kombinerar för att bilda molekyler, varvid molekylerna i sin tur reagerar för att producera oorganiska och organiska föreningar. Organiska föreningar samverkade för att producera alla typer av makromolekyler som organiserades för att bilda det första levande systemet eller cellerna.

Image Courtesy: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Blacksmoker_in_Atlantic_Ocean.jpg

Således härledde "livet" enligt vår teori spontant från vår levande materia på vår jord. Första oorganiska föreningar och sedan organiska föreningar bildades i enlighet med ständigt föränderliga miljöförhållanden. Detta kallas kemisk utveckling som inte kan ske under nuvarande miljöförhållanden på jorden. Villkor som är lämpliga för livets ursprung existerade endast på primitiv jord.

Oparin-Haldane-teorin kallas också kemisk teori eller naturalistisk teori. AI Oparin (1894-1980) var en rysk forskare. Han publicerade sin bok "Livets ursprung" 1936 och en engelsk utgåva 1938. JBS Haldane (1892-1964) föddes i England men migrerade till Indien i juli 1957 och bosatte sig i Bhubaneswar, Orissa. Han var biolog, biokemist och genetiker. Både Oparin (1938) och Haldane (1929) gav liknande åsikter om livets ursprung.

Modemvyer om livets ursprung innefattar kemisk utveckling och biologisk utveckling:

A. Kemisk utveckling (kemogeni):

1. Atomfasen:

Tidig jord hade otaliga atomer av alla dessa element (t.ex. väte, syre, kol, kväve, svavel, fosfor, etc.) som är nödvändiga för bildandet av protoplasma. Atomer segregerades i tre koncentriska massor i enlighet med deras vikter, a) De tyngsta atomerna av järn, nickel, koppar, etc. hittades i mitten av jorden, b) Medelviktatomer av natrium, kalium, kisel, magnesium, aluminium, fosfor, klor, fluor, svavel etc. uppsamlades i jordens kärna, (c) de lättaste atomerna av kväve, väte, syre, kol etc. bildade den primitiva atmosfären.

2. Bildning av oorganiska molekyler:

Friatomer kombineras för att bilda oorganiska molekyler som H2 (Vätgas), N2 (kväve), H20 (Vattendamp), CH4 (metan), NH3 (ammoniak), CO2 (koldioxid). Väteatomer var mest talrika och mest reaktiva i primitiv atmosfär.

Första väteatomer kombinerade med alla syreatomer för att bilda vatten och lämnar inget fritt syre. Således reducerades primitiv atmosfär (utan fri syre) i motsats till den nuvarande oxiderande atmosfären (med fri syre).

Väteatomer kombineras också med kväve, bildande ammoniak (NH3). Så vatten och ammoniak var förmodligen de första molekylerna av primitiv jord.

3. Formation av enkla organiska molekyler (monomerer):

De tidiga oorganiska molekylerna samverkade och producerade enkla organiska molekyler, såsom enkla sockerarter (t.ex. ribos, deoxiribos, glukos, etc.), kvävebaser (t.ex. puriner, pyrimidiner), aminosyror, glycerol, fettsyror etc.

Torrellregn måste ha fallit. När vattnet rusade ner måste det ha löst sig och transporterat salt och mineraler, och i slutändan ackumulerade i form av hav. Således innehöll gammalt oceaniskt vatten stora mängder upplöst NH3, CH4, HCN, nitrider, karbider, olika gaser och element.

CH4 + C02 + H20 -> sockerarter + glycerol + fettsyror

CH4 + HCN + NH3 + H20-> Puriner + Pyrimidiner

CH4 + NH3 + C02 + H20-> Aminosyror

Vissa externa källor måste ha verkat på blandningen för reaktioner. Dessa externa källor kan vara (i) solstrålningar såsom ultraviolett ljus, röntgenstrålar etc., (ii) energi från elektriska urladdningar som blixtar, (iii) hög energi strålning är andra energikällor (förmodligen instabila isotoper på den primitiva jorden). Det fanns inget ozonskikt i atmosfären.

En soppliknande buljong av kemikalier som bildas i oceaner från den tidiga jorden, från vilken levande celler tros ha uppstått, benämns JB Haldane (1920) som "prebiotisk soppa" (även kallad "varm utspädd soppa"). Således sattes scenen för kombination av olika kemiska element. När de organiska molekylerna formades, ackumulerade de i vatten eftersom deras nedbrytning var extremt långsam i frånvaro av några livs- eller enzymkatalysatorer.

Experimentell bevis för abiogen molekylär evolution av livet:

Stanley Miller 1953, som sedan var en doktorand vid Harold Urey (1893-1981) vid University of Chicago, visade tydligt att ultraviolett strålning eller elektriska utsläpp eller värme eller en kombination av dessa kan producera komplexa organiska föreningar från en blandning av metan, ammoniak, vatten (vattenström) och väte. Förhållandet mellan metan, ammoniak och väte i Miller-experimentet var 2: 1: 2.

Miller cirkulerade fyra gaser-metan, ammoniak, väte och vattenånga i en lufttätt apparat och skickade elektriska urladdningar från elektroder vid 800 ° C. Han passerade blandningen genom en kondensor.

Han cirkulerade gaserna kontinuerligt på detta sätt under en vecka och analyserade sedan vätskans kemiska sammansättning inuti apparaten. Han fann ett stort antal enkla organiska föreningar, inklusive några aminosyror, såsom alanin, glycin och asparaginsyra. Miller utförde experimentet för att testa idén att organiska molekyler kunde syntetiseras i en reducerande miljö.

Andra ämnen, såsom urea, vätecyanid, mjölksyra och ättiksyra var också närvarande. I ett annat experiment cirkulerade Miller blandningen av gaserna på samma sätt men han passerade inte den elektriska urladdningen. Han kunde inte få det signifikanta utbytet av de organiska föreningarna.

Senare har många utredare syntetiserat ett stort antal organiska föreningar, inklusive puriner, pyrimidin och enkla sockerarter, etc. Det anses att de väsentliga "byggstenarna" som nukleotider, aminosyror, etc. av levande organismer kunde ha bildat sig på primitiv jord.

4. Formation av komplexa organiska molekyler (makromolekyler):

En mängd olika aminosyror, fettsyror, kolväten, puriner och pyrimidinbaser, enkla sockerarter och andra organiska föreningar som ackumuleras i de gamla haven. I den primära atmosfären kan elektrisk urladdning, blixt, solenergi, ATP och polyfosfater ha gett energikällan för polymerisationsreaktioner av organisk syntes.

SW Fox av University of Miami har visat att om en nästan torr blandning av aminosyror upphettas syntetiseras polypeptidmolekyler. På samma sätt kan enkla sockerarter bilda polysackarider och fettsyror skulle kunna kombinera för att producera fetter. Aminosyror kan bilda proteiner när andra faktorer var inblandade.

Sålunda förenas de lilla enkla organiska molekylerna för att bilda stora komplexa organiska molekyler, t.ex. aminosyraenheter, som bildas i form av polypeptider och proteiner, enkla socker enheter kombinerade för att bilda polysackarider, fettsyror och glycerol förenade för att bilda fetter, sockerarter, kvävebaser och fosfater kombinerat till nukleotider som polymeriserade till nukleinsyror i de gamla oceanerna.

Socker + Socker ----> Polysackarider

Fettsyror + Glycerol ----> Fetter

Aminosyror- + Aminosyror ----> Proteiner

Kvävebaser + pentosocker + fosfater ---> nukleotider

Nukleotider + Nukleotider ----> Nukleinsyra

Vilket kom först RNA eller Protein?

RNA-första hypotesen:

I början av 1980-talet föreslog tre forskare (Leslia orgel, Francis Crick och Carl Woese) självständigt RNA-världen som det första steget i livets utveckling, där RNA katalyserade alla molekyler som var nödvändiga för överlevnad och replikation. Thomas Ceck och Sidney Altman delade Nobelpriset i kemi 1989, eftersom de upptäckte att RNA kan vara både ett substrat och ett enzym.

Om de första cellerna använde RNA som sin ärftliga molekyl, utvecklades DNA från en RNA-mall. DNA utvecklades förmodligen inte som en ärftlig molekyl utan tills det RNA-baserade livet blev inneslutet i membranet. När celler som utvecklats har DNA förmodligen ersatt RNA som den genetiska koden för de flesta organismer.

Protein första hypotesen:

Ett antal författare (till exempel Sidney Fox, 1978) hävdade att ett proteinkatalytiskt system måste ha utvecklats före ett replikationssystem med nukleinsyra. Sidney Fox hade visat att aminosyror polymeriserades abiotiskt när de utsattes för torr värme för att bilda proteinoider.

Cairns-Smiths hypotes:

Det föreslogs av Graham Caims-Smith, enligt vilket både proteiner och RNA härstammar samtidigt.

Bildning av nukleoproteiner:

De jätte nukleoproteinmolekylerna bildades genom föreningen av nukleinsyra och proteimolekyler. Dessa nukleoproteinpartiklar beskrevs som fria levande gener. Nukleoproteiner gav troligen det första tecknet på livet.

B. Biologisk utveckling (biogeni):

Villkor för livets ursprung:

För livets ursprung krävs minst tre förutsättningar.

(a) Det måste ha varit en tillförsel av replikatorer, dvs självproducerande molekyler.

(b) Kopiering av dessa replikatorer måste ha varit föremål för fel genom mutation.

c) Systemet med replikatorer måste ha krävt en kontinuerlig tillförsel av fri energi och partiell isolering från den allmänna miljön.

Den höga temperaturen i tidig jord skulle ha uppfyllt kravet på mutation.

1. Protobionter eller Protocells:

Dessa är minst två typer av ganska enkla laboratorieproducerade strukturer-Oparin's coacervates och Fox's mikrosfärer som har några av de grundläggande förutsättningarna för proto-celler.

Även om dessa strukturer skapades konstgjort pekar de på sannolikheten att icke-biologiska membranhöljen (proto-celler) kunde ha uppburit reaktiva system under åtminstone korta tidsperioder och ledde till forskning om experimentell produktion av membranbundna vesiklar innehållande molekyler, dvs., proto celler.

(i) Coacervates:

Den första hypotesen föreslogs av Oparin (1920). Enligt denna hypotes kan tidig protocell ha varit en coacervate. Oparin gav termen coacervates. Dessa var icke-levande strukturer som ledde till bildandet av de första levande cellerna från vilka de mer komplexa cellerna idag har utvecklats.

Oparin spekulerade på att en protocell bestod av kolhydrater, proteiner, lipider och nukleinsyror som ackumulerades för att bilda en coacervate. En sådan struktur kunde ha bestått av en samling organiska makromolekyler omgivna av en film av vattenmolekyler.

Detta arrangemang av vattenmolekyler, men inte ett membran, kunde ha fungerat som en fysisk barriär mellan de organiska molekylerna och deras omgivningar. De kunde selektivt ta in material från sin omgivning och införliva dem i sin struktur.

Coacervates har syntetiserats i laboratoriet. De kan selektivt absorbera kemikalier från det omgivande vattnet och införliva dem i sin struktur. Vissa coacervates innehåller enzymer som leder en specifik typ av kemisk reaktion.

Eftersom de saknar ett bestämt membran, hävdar ingen att coacervates lever, men de uppvisar något liv som karaktärer. De har en enkel men bestående organisation. De kan förbli i lösning under långa perioder. De har möjlighet att öka i storlek.

(ii) mikrosfärer:

En annan hypotes är att den tidiga proto-cellen kunde ha varit en mikrosfär. En mikrosfär är en icke-levande samling av organiska makromolekyler med dubbelskiktad yttre gräns. Termen mikrosfär gavs av Sydney Fox (1958-1964).

Sidney Fox visade förmågan att bygga mikrosfärer från proteinoider. Proteinoider är proteinliknande strukturer som består av grenade kedjor av aminosyror. Proteinoider bildas genom dehydratiseringssyntesen av aminosyror vid en temperatur av 180 ° C. Fox, från University of Miami, visade att det är möjligt att kombinera enstaka aminosyror i polymerer av proteinoider. Han demonstrerade också förmågan att bygga mikrosfärer från dessa proteinoider.

Fox observerade små sfäriska cellliknande enheter som hade uppstått från aggregeringar av proteinoider. Dessa molekylära aggregat kallades proteinoidmikrosfärer. De första icke-cellulära formerna av livet skulle ha kunnat komma tillbaka 3 miljarder år tillbaka. De skulle ha varit jätte molekyler (RNA, Proteiner, Polysackarider etc.).

Mikrosfärer kan bildas när proteinoider placeras i kokande vatten och får långsamt svalna. Några av proteinoidmaterialet producerar en dubbelgränsande struktur som omsluter mikrosfären. Även om dessa väggar inte innehåller lipider uppvisar de vissa membranliknande egenskaper och föreslår strukturen hos ett cellulärt membran.

Mikrosfärer sväller eller krympar beroende på den osmotiska potentialen i den omgivande lösningen. De visar också en typ av inre rörelse (streaming) som liknar den som uppvisas av celler och innehåller några proteinoider som fungerar som enzymer. Med användning av ATP som en energikälla kan mikrosfärer rikta bildningen av polypeptider och nukleinsyror. De kan absorbera material från det omgivande mediet.

De har förmåga att motilitet, tillväxt, binär klyvning i två partiklar och reproduktionskapacitet genom spirande och fragmentering. Överflödigt liknar deras spirande med bakterier och svampar.

Enligt vissa utredare kan mikrosfärer ses som första levande celler.

2. Prokaryotes ursprung:

Prokaryoter härstammar från proto-celler ca 3, 5 miljarder år sedan i havet. Atmosfären var anaerob eftersom fritt syre var frånvarande i atmosfären. Prokaryoter har inte kärnmembran, cytoskelet eller komplexa organeller. De delar sig genom binär klyvning. Några av de äldsta kända fossila cellerna framträder som delar av stromatoliter. Stromatoliter bildas idag från sedimenter och fotosyntetiska prokaryoter (främst filamentösa cynobakterier-blågröna alger).

3. Utveckling av näringsmåder:

(i) Heterotrofer:

De tidigaste prokaryoterna uppnådde förmodligen energi genom fermentering av organiska molekyler från havsbuljongen i syrefri atmosfär (reducerande atmosfär). De krävde färdigt organiskt material som mat och var därmed heterotrofer.

(ii) Autotrofer:

På grund av snabb ökning av antalet heterotrofer började näringsämnet från havsvatten försvinna och gradvis uttömt. Det ledde till utvecklingen av autotrofer. Dessa organismer kunde producera sina egna organiska molekyler genom kemosyntes eller fotosyntes.

(a) Chemoautotrophs:

Sänkning i temperaturen upphörde syntesen av organiska molekyler i havsvatten. Några av de tidiga prokaryoterna omvandlades till kemoautotrofer som förberedde ekologisk mat genom att använda energi som släpptes under vissa oorganiska kemiska reaktioner. Dessa anaeroba kemoautotrofer var som närvarande anaeroba bakterier. De släppte CO ₂ i atmosfären.

(b) Fotoautotrofer:

Utveckling av klorofyllmolekyl möjliggjorde vissa protocells att utnyttja ljusenergi och syntetisera kolhydrater. Dessa var anaeroba fotoautotrofer. De använde inte vatten som vätekälla. De liknade dagens svavelbakterier, där vätesulfid delades upp i väte och svavel. Vätgas användes vid tillverkning av livsmedel och svavel släpptes som en avfallsprodukt.

Aerobic photoautotrophs använde vatten som en källa till väte och koldioxid som källa för kol för att syntetisera kolhydrat i närvaro av solenergi. De första aeroba fotoautotroferna var cyanobakterier (blågrönalger) som former som hade klorofyll. De släppte syre i atmosfären som biprodukt av fotosyntes. Den huvudsakliga källan till genetisk variation var mutation.

Syrerevolution:

När antalet fotoautotrofer ökade frigjordes syre i havet och atmosfären. Fria syre än reagerade med metan och ammoniak närvarande i primitiv atmosfär och transformerad metan och ammoniak i koldioxid och fritt kväve.

CH4 + 202 -----> CO2 + 2H20

4NH3 + 3O2 ----> 2N2 + 6H20

Den äldsta fossil som tillhör blågröna alger, heter Archaeospheroides barbertonensis som är 3, 2 miljarder år gammal. Syreavgivande prokaryoter uppträdde först för minst 2, 5 miljarder år sedan.

4. Bildning av ozonskikt:

Som syre ackumulerade i atmosfären förändrade det ultravioletta ljuset lite syre till ozon.

2O2 + 02-> 2O3

Ozonet bildade ett skikt i atmosfären, blockerar det ultravioletta ljuset och lämnar det synliga ljuset som huvudkällan för energi.

5. Eukaryotes ursprung:

Eukaryotema utvecklades från primitiva prokaryota celler cirka 1, 5 miljarder år sedan. Det finns två synpunkter på ursprunget till eukaryoter.

(i) Symbiotisk Ursprung:

Enligt Margulis (1970-1981) i Boston University, uppslukade vissa anaeroba predatorvärdsceller primitiva aeroba bakterier men smälte inte dem. Dessa aeroba bakterier etablerade sig i värdcellerna som symbionter. Sådana rovdjur värdceller blev de första eukaryota cellerna.

Rovdjurets värdceller som uppslukade aeroba bakterier utvecklades till djurceller medan de som fångade både aeroba bakterier och blågröna alger blev eukaryota växtceller. De aeroba bakterierna etablerade sig som mitokondrier och blågröna alger som kloroplaster.