Quan điểm hiện đại về tiến hóa hóa học và sinh học

Quan điểm hiện đại về tiến hóa hóa học và sinh học!

Theo lý thuyết này, sự sống bắt nguồn từ trái đất sơ khai thông qua các quá trình hóa lý của các nguyên tử kết hợp với nhau để tạo thành các phân tử, các phân tử lần lượt phản ứng để tạo ra các hợp chất vô cơ và hữu cơ.

Các hợp chất hữu cơ tương tác để tạo ra tất cả các loại đại phân tử được tổ chức để tạo thành hệ thống sống hoặc tế bào đầu tiên.

Do đó, theo lý thuyết này, "sự sống" bắt nguồn từ trái đất của chúng ta một cách tự nhiên từ vật chất không sống. Các hợp chất vô cơ đầu tiên và sau đó là các hợp chất hữu cơ được hình thành phù hợp với điều kiện môi trường luôn thay đổi. Điều này được gọi là tiến hóa hóa học không thể xảy ra trong điều kiện môi trường hiện tại trên trái đất. Điều kiện phù hợp với nguồn gốc sự sống chỉ tồn tại trên trái đất nguyên thủy.

Lý thuyết Oparin-Haldane còn được gọi là lý thuyết hóa học hoặc lý thuyết tự nhiên

Quan điểm hiện đại liên quan đến nguồn gốc của sự sống bao gồm tiến hóa hóa học và tiến hóa sinh học:

1. Tiến hóa hóa học:

(i) Giai đoạn nguyên tử:

Trái đất sớm có vô số nguyên tử tự do của ail các nguyên tố đó (ví dụ hydro, oxy, carbon, nitơ, lưu huỳnh, phốt pho, v.v.) rất cần thiết cho sự hình thành nguyên sinh chất. Các nguyên tử được phân tách thành ba khối đồng tâm theo trọng lượng của chúng, (a) Các nguyên tử nặng nhất của sắt, niken, đồng, v.v. được tìm thấy ở trung tâm trái đất, (b) Các nguyên tử trọng lượng trung bình của natri, kali, silic, magiê, nhôm, phốt pho, clo, flo, lưu huỳnh, v.v ... được thu thập trong lõi trái đất, (c) Các nguyên tử nhẹ nhất của nitơ, hydro, oxy, carbon, v.v., hình thành nên bầu khí quyển nguyên thủy.

(ii) Nguồn gốc của các phân tử và các hợp chất vô cơ đơn giản:

Các nguyên tử tự do kết hợp để tạo thành các phân tử và các hợp chất vô cơ đơn giản. Các nguyên tử hydro có nhiều nhất và phản ứng mạnh nhất trong bầu khí quyển nguyên thủy. Các nguyên tử hydro đầu tiên kết hợp với tất cả các nguyên tử oxy tạo thành nước và không để lại oxy tự do. Do đó, bầu không khí nguyên thủy đã làm giảm không khí (không có oxy tự do) không giống như bầu không khí oxy hóa hiện tại (với oxy tự do). Nguyên tử hydro cũng kết hợp với nitơ, tạo thành amoniac (NH ₃ ). Vì vậy, nước và amoniac có lẽ là các phân tử hợp chất đầu tiên của trái đất nguyên thủy.

(iii) Nguồn gốc của các hợp chất hữu cơ đơn giản (Monome):

Bầu khí quyển nguyên thủy chứa các khí như CO ₂, CO, N, H ₂, v.v ... Nitơ và carbon của khí quyển kết hợp với các nguyên tử kim loại, tạo thành nitrua và cacbua. Hơi nước và cacbua kim loại đã phản ứng tạo thành hợp chất hữu cơ đầu tiên, metan (CH ₄ ). Sau đó, hydro xyanua (HCN) được hình thành.

Những cơn mưa xối xả phải rơi:

Khi nước chảy xuống, nó phải tan đi và mang theo muối và khoáng chất, và cuối cùng được tích lũy dưới dạng đại dương. Do đó, nước đại dương cổ đại chứa một lượng lớn NH ₃, CH ₄, HCN, nitrua, cacbua, các loại khí và nguyên tố khác nhau.

Các hợp chất ban đầu đã tương tác và tạo ra các hợp chất hữu cơ đơn giản như đường đơn giản (ví dụ ribose, deoxyribose, glucose, v.v.), các bazơ nitơ (ví dụ: purin, pyrimidine), axit amin, glycerol, axit béo, v.v. đã được tác động lên hỗn hợp cho các phản ứng. Những nguồn bên ngoài này có thể là (i) bức xạ mặt trời như ánh sáng cực tím, tia X, v.v., (ii) năng lượng từ phóng điện như sét, (iii) bức xạ năng lượng cao là những nguồn năng lượng khác (có thể là đồng vị không ổn định trái đất nguyên thủy). Không có tầng ozone trong khí quyển.

Nước đại dương giàu hỗn hợp các hợp chất hữu cơ được JBS Haldane (1920) gọi là "súp loãng pha loãng các chất hữu cơ". 'Súp loãng nóng' còn được gọi là súp prebiotic '. Do đó, giai đoạn được thiết lập để kết hợp các yếu tố hóa học khác nhau. Sau khi hình thành, các phân tử hữu cơ tích lũy trong nước vì sự thoái hóa của chúng cực kỳ chậm khi không có bất kỳ chất xúc tác nào của sự sống hay enzyme.

Bằng chứng thực nghiệm cho sự tiến hóa phân tử của Abiogen:

Stanley Miller vào năm 1953, đã chứng minh rõ ràng rằng bức xạ cực tím hoặc phóng điện hoặc nhiệt hoặc sự kết hợp của chúng có thể tạo ra các hợp chất hữu cơ phức tạp từ hỗn hợp khí metan, amoniac, nước (dòng nước) và hydro.

Miller đã lưu thông bốn khí khí metan, amoniac, hydro và hơi nước trong một thiết bị kín khí và truyền các luồng điện từ các điện cực ở 800 ° C. Anh ta cho hỗn hợp qua một bình ngưng. Ông lưu thông khí liên tục theo cách này trong một tuần và sau đó phân tích thành phần hóa học của chất lỏng bên trong thiết bị. Ông tìm thấy một số lượng lớn các hợp chất hữu cơ đơn giản bao gồm một số axit amin như alanine, glycine và axit aspartic. Miller đã chứng minh rằng các hợp chất hữu cơ là cơ sở của sự sống.

Các chất khác, như urê, hydro xyanua, axit lactic và axit axetic cũng có mặt. Trong một thí nghiệm khác, Miller đã tuần hoàn hỗn hợp khí theo cách tương tự nhưng anh ta không vượt qua được sự phóng điện. Anh ta không thể có được năng suất đáng kể của các hợp chất hữu cơ. Sau đó, nhiều nhà điều tra đã tổng hợp rất nhiều hợp chất hữu cơ bao gồm purin, pyrimidine và đường đơn giản, v.v ... Người ta cho rằng các 'khối xây dựng' thiết yếu như nucleotide, axit amin, v.v ... của các sinh vật sống có thể đã hình thành trên đất nguyên thủy.

(iv) Nguồn gốc của các hợp chất hữu cơ phức tạp (Polyme):

Một loạt các axit amin, axit béo, hydrocarbon, purin và pyrimidine, đường đơn giản và các hợp chất hữu cơ khác tích lũy trong biển cổ đại. Trong khí quyển nguyên thủy, sét, năng lượng mặt trời, ATP và polyphosphate có thể đã cung cấp nguồn năng lượng cho các phản ứng trùng hợp của tổng hợp hữu cơ. SW Fox đã chứng minh rằng nếu một hỗn hợp axit amin gần như khô được làm nóng, các phân tử polypeptide được tổng hợp.

Tương tự các loại đường đơn giản có thể tạo thành polysacarit và axit béo có thể kết hợp để tạo ra chất béo. Axit amin có thể tạo thành protein, khi các yếu tố khác có liên quan. Do đó, các phân tử hữu cơ đơn giản nhỏ kết hợp với nhau tạo thành các phân tử hữu cơ phức tạp lớn, ví dụ, các đơn vị axit amin tham gia để tạo thành polypeptide và protein, các đơn vị đường đơn giản kết hợp để tạo thành polysacarit, axit béo và glycerol hợp nhất để tạo thành chất béo, đường, bazơ nitơ và phốt phát kết hợp thành nucleotide mà trùng hợp thành axit nucleic trong các đại dương cổ đại.

2. Tiến hóa sinh học:

Đối với nguồn gốc của sự sống, ít nhất ba điều kiện là cần thiết:

(a) Phải có một nguồn cung cấp các bộ sao, tức là các phân tử tự sản xuất.

(b) Sao chép các bộ sao này phải bị lỗi thông qua đột biến.

Nhiệt độ cao ở trái đất sớm sẽ đáp ứng yêu cầu đột biến.

Nguồn gốc của phân tử Prebiotic:

Điều kiện thứ ba, cô lập một phần, đã đạt được trong tập hợp các phân tử prebiotic được hình thành nhân tạo. Các tập hợp này được gọi là protobiont có thể tách các tổ hợp phân tử khỏi môi trường xung quanh. Họ duy trì một môi trường bên trong nhưng không thể sinh sản. Hai protobiont quan trọng là coacervates và microspheres.

Coacervates:

Oparin (1924) đã quan sát thấy rằng nếu một hỗn hợp của một protein lớn và một polysacarit bị lắc, các coacervate được hình thành. Các coacervate chứa chủ yếu là protein, polysacarit và một số nước. Coacervates của Oparin cũng cho thấy một hình thức trao đổi chất đơn giản. Vì các coacervate này không có màng ngoài lipid do đó chúng không thể sinh sản. Do đó, họ không đáp ứng yêu cầu về tiền thân có thể xảy ra của cuộc sống.

Kính hiển vi:

Khi hỗn hợp các hợp chất hữu cơ được sản xuất nhân tạo được trộn với các kính hiển vi nước mát được hình thành. Nếu hỗn hợp có chứa lipit, bề mặt của microspheres bao gồm một lớp lipid kép, gợi nhớ (ghi nhớ những điều của quá khứ) với lớp màng lipid của màng tế bào. Sydney Fox (1950) đun nóng hỗn hợp gồm 18 axit đạn đến nhiệt độ 130 đến 180 ° C. Ông đã thu được protein ổn định như các đại phân tử mà ông đặt tên là protenoids.

Khi vật liệu proten được làm lạnh và kiểm tra dưới kính hiển vi, Fox đã quan sát các đơn vị giống như tế bào hình cầu nhỏ phát sinh từ các tập hợp của protenoids. Những tập hợp phân tử này được gọi là miciospheies. Các dạng sống không tế bào đầu tiên có thể bắt nguồn từ 3 tỷ năm trước. Chúng sẽ là các phân tử khổng lồ (RNA, Protein và Polysacarit, v.v.).

Tính chất vật lý của kính hiển vi điện từ:

Chúng có hình cầu siêu nhỏ với khoảng 1 đến 2 (đường kính sáng, tương tự như kích thước và hình dạng của vi khuẩn coccoid.

Đặc tính cấu trúc của kính hiển vi điện từ:

Dưới kính hiển vi điện tử, ranh giới hai lớp đồng tâm xung quanh chúng đã được quan sát thông qua đó xảy ra sự khuếch tán của vật liệu. Chúng có khả năng vận động, tăng trưởng, phân hạch nhị phân thành hai hạt và khả năng sinh sản bằng cách nảy chồi và phân mảnh. Nhìn bề ngoài, sự chớm nở của chúng giống với vi khuẩn và nấm.

Các hoạt động giống như enzyme của các kính hiển vi điện từ:

Chúng đã được tìm thấy có hoạt động xúc tác, chẳng hạn như sự thoái hóa glucose. Hoạt động enzyme này của microspheres bị mất một phần trong quá trình gia nhiệt.

Hạn chế chính trong các kính hiển vi điện từ là chúng có sự đa dạng hạn chế. Do đó, cơ chế cô lập một phần dẫn đến nguồn gốc của protobiont vẫn chưa được giải quyết.

Vì cả protein và axit nucleic (cùng với các chất đơn giản khác) được yêu cầu để phát triển và sinh sản các sinh vật sống ngày nay, một câu hỏi rõ ràng là chất nào trong số các chất này phát sinh đầu tiên? Không có câu trả lời rõ ràng có sẵn cho nó.

Mô hình đầu tiên của RNA:

Trong những năm gần đây, bằng chứng ủng hộ RNA là nguyên liệu của gen được hình thành đầu tiên (Woese, 1967, Crick 1968, Orgel 1973, 1986 Watson et al 1986, Darnell et al 1986). Do đó, RNA có thể là polymer đầu tiên và một số dạng sao chép ngược có thể đã tạo ra DNA và RBA và DNA bắt đầu kiểm soát tổng hợp protein.

Tại sao RNA và không phải DNA là phân tử sống đầu tiên?

Các hoạt động enzyme của các phân tử RNA liên tục được phát hiện, nhưng không có hoạt động enzyme nào được quy cho DNA. Hơn nữa, ribose dễ tổng hợp hơn nhiều so với deoxyribose trong điều kiện prebiotic được kích thích. Một phân tử RNA có lợi có chọn lọc sẽ là một phân tử chỉ đạo quá trình tổng hợp protein làm tăng tốc độ sao chép của RNA cụ thể (tức là RNA polymerase).

RNA có thể xúc tác cho sự hình thành lipid giống như các phân tử có thể lần lượt hình thành màng plasma và protein. Các protein có thể đã đảm nhiệm hầu hết các chức năng enzyme vì chúng là chất xúc tác tốt hơn RNA. Nếu các tế bào đầu tiên sử dụng RNA làm phân tử di truyền thì DNA sẽ tiến hóa từ khuôn mẫu RNA. Một khi các tế bào tiến hóa, DNA có thể đã thay thế RNA trong hầu hết các sinh vật.

Sự hình thành của các tế bào sớm nhất:

(i) Các sinh vật sống đầu tiên có nguồn gốc giữa các phân tử hữu cơ và trong khí quyển không có oxy (làm giảm khí quyển). Họ có lẽ thu được năng lượng bằng cách lên men một số phân tử hữu cơ này. Chúng là loài anaerobes, có khả năng hô hấp khi không có oxy. Họ phụ thuộc vào các phân tử hữu cơ hiện tại cho dinh dưỡng của họ và do đó họ là dị dưỡng.

(ii) Khi nguồn cung cấp các phân tử hữu cơ hiện tại cạn kiệt, một số dị nguyên có thể đã tiến hóa thành tự dưỡng. Những sinh vật này có khả năng tạo ra các phân tử hữu cơ của riêng mình bằng phương pháp tổng hợp hoặc quang hợp.

(a) Tổng hợp hóa học:

Các sinh vật thực hiện quá trình tổng hợp hóa học được gọi là chemoautotrophs. Chúng kị khí. Các hóa chất phát triển đã phát triển khả năng tổng hợp các phân tử hữu cơ từ các nguyên liệu thô vô cơ. Một chế độ dinh dưỡng như vậy có mặt ngay cả bây giờ ở một số vi khuẩn, ví dụ, vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn sắt, vi khuẩn nitrat hóa.

(b) Quang hợp:

Các sinh vật quang hợp, quang tự động, đã phát triển chất diệp lục sắc tố bằng cách kết hợp các hóa chất đơn giản. Họ đã chuẩn bị thực phẩm hữu cơ bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời thu được với sự trợ giúp của diệp lục. Họ thiếu các con đường sinh hóa để tạo ra oxy. Họ vẫn kị khí và sử dụng hydro từ các nguồn khác ngoài nước.

Ở giai đoạn sau, oxy giải phóng các sinh vật quang hợp phát triển. Chúng tương tự như tảo xanh lam (vi khuẩn lam) hiện có. Họ đã sử dụng nước để lấy hydro và giải phóng oxy. Bổ sung O ₂ vào khí quyển bắt đầu oxy hóa metan và amoniac, chúng bắt đầu biến mất.

CH ₄ + 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O

4NH ₃ + 3O ₂ → 2N ₂ + 6H ₂ O

Sự sống đã có mặt trên Trái đất khoảng 3, 9 tỷ năm trước. Tuy nhiên, các vi sinh vật lâu đời nhất được phát hiện cho đến nay là vi khuẩn lam quang hợp xuất hiện 3, 3 đến 3, 5 tỷ năm trước.

Sự hình thành của tầng ôzôn:

Khi oxy tích lũy trong khí quyển, ánh sáng cực tím đã thay đổi một số tifoxygen thành ozone.

2O ₂ + O ₂ → 2O ₃

Ôzôn hình thành một lớp trong khí quyển, ngăn chặn tia cực tím và để lại ánh sáng khả kiến là nguồn năng lượng chính.

Nguồn gốc của tế bào nhân chuẩn (tế bào hạt nhân thực sự):

Hô hấp hiếu khí tiến hóa đủ oxy trong khí quyển nguyên thủy. Các prokaryote dần dần sửa đổi để thích nghi với điều kiện mới. Họ đã phát triển một nhân thực sự và các bào quan tế bào chuyên biệt khác. Do đó, các sinh vật giống tế bào nhân chuẩn sống tự do có nguồn gốc từ Đại dương Ancierit có lẽ khoảng 1, 5 tỷ năm trước. Sinh vật nhân chuẩn nguyên thủy dẫn đến sự tiến hóa của các sinh vật chính, thực vật, nấm và động vật.

Tóm tắt các bước chính trong nguồn gốc của sự sống theo lý thuyết hiện đại về nguồn gốc của sự sống.