Evolutie chimica

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 6 octombrie 2020; verificările necesită 12 modificări .

Evoluția chimică sau evoluția prebiotică  este o etapă care a precedat apariția vieții [1] [2] [3] , în timpul căreia substanțele organice , prebiotice au luat naștere din molecule anorganice sub influența energiei externe și a factorilor de selecție și ca urmare a desfășurării de sine. -procesele de organizare inerente tuturor sistemelor relativ complexe, care, fără îndoială, sunt toate molecule care conțin carbon .

De asemenea, acești termeni denotă teoria apariției și dezvoltării acelor molecule care au o importanță fundamentală pentru apariția și dezvoltarea materiei vii.

Tot ce se știe despre chimia materiei face posibilă limitarea problemei evoluției chimice la cadrul așa-numitului „ șovinism apă-carbon ”, postulând că viața în Universul nostru este prezentată în singurul mod posibil: ca „ o modalitate de existență a corpurilor proteice” [4] , care este fezabilă datorită unei combinații unice de proprietăți de polimerizare a carbonului și proprietăți de depolarizare ale unui mediu apos în fază lichidă, ca condiții atât necesare și/sau suficiente (?) pentru apariție. și dezvoltarea tuturor formelor de viață cunoscute nouă. Aceasta implică faptul că, cel puțin în cadrul unei biosfere formate , poate exista un singur cod de ereditate comun tuturor ființelor vii dintr-o anumită biotă , dar întrebarea rămâne deschisă dacă există alte biosfere în afara Pământului și dacă alte variante ale aparatului genetic. sunt posibile.

De asemenea, nu se știe când și unde a început evoluția chimică. Orice dată este posibilă după sfârșitul celui de-al doilea ciclu de formare a stelelor, care a avut loc după condensarea produselor exploziilor supernovelor primare , furnizând elemente grele (cu o masă atomică mai mare de 26) în spațiul interstelar. A doua generație de stele , deja cu sisteme planetare îmbogățite în elemente grele care sunt necesare pentru implementarea evoluției chimice, a apărut la 0,5–1,2 miliarde de ani după Big Bang . În anumite condiții destul de probabile, aproape orice mediu poate fi potrivit pentru lansarea evoluției chimice: adâncurile oceanelor, intestinele planetelor, suprafețele acestora, formațiunile protoplanetare și chiar norii de gaz interstelar, ceea ce este confirmat de detectarea pe scară largă în spațiu. prin metode astrofizice a multor tipuri de substanțe organice - aldehide, alcooli, zaharuri și chiar glicina (un aminoacid), care împreună pot servi ca material de pornire pentru evoluția chimică, care are ca rezultat final apariția vieții .

Metodologie pentru studiul evoluției chimice (teorie)

Studiul evoluției chimice este complicat de faptul că în prezent cunoștințele despre condițiile geochimice ale Pământului antic nu sunt suficient de complete.

Prin urmare, pe lângă datele geologice, sunt implicate și datele astronomice. Astfel, condițiile de pe Venus și Marte sunt considerate la fel de apropiate de cele de pe Pământ în diferite stadii ale evoluției sale.

Principalele date privind evoluția chimică sunt obținute în urma experimentelor model, în cadrul cărora s-a putut obține molecule organice complexe prin simularea diferitelor compoziții chimice ale atmosferei , hidrosferei și litosferei și condițiilor climatice .

Pe baza datelor disponibile, au fost înaintate o serie de ipoteze cu privire la mecanismele specifice și forțele motrice directe ale evoluției chimice.

Abiogeneza

Abiogeneza - formarea de compuși organici obișnuiți în viața sălbatică , în afara corpului, fără participarea enzimelor .

Într-un sens larg, abiogeneza este apariția viețuitoarelor din lucruri nevii, adică ipoteza inițială a teoriei moderne a originii vieții . În anii 1920, academicianul A. I. Oparin a sugerat că în soluțiile de compuși macromoleculari se pot forma spontan zone de concentrație crescută , care sunt relativ separate de mediul extern și pot menține schimbul cu acesta. El le-a numit Coacervate drops , sau pur și simplu coacervate .

În 1953, Stanley Miller a efectuat experimental sinteza abiogenă a aminoacizilor și a altor substanțe organice în condiții care reproduc condițiile Pământului primitiv .

Există și teoria hiperciclurilor , conform căreia primele manifestări ale vieții au fost asociate cu așa-numitele hipercicluri  - complexe de reacții catalitice complexe , în care produsul fiecărei reacții anterioare este un catalizator pentru următoarea.

În 2008, biologii americani au făcut un pas important spre înțelegerea etapelor inițiale ale originii vieții. Ei au reușit să creeze o „ protocelulă ” cu un înveliș de lipide și acizi grași simpli, capabile să atragă monofosfații de nucleotide activați de imidazol din mediu, „blocuri de construcție” necesare sintezei ADN-ului [5] . În 2011, oamenii de știință japonezi au raportat că au fost capabili să creeze vezicule cu înveliș cationic și elemente ADN în interior, capabile să se divizeze ca urmare a unei reacții în lanț a polimerazei care reproduce ADN-ul [6] .

Prezentare generală a subiectului

Ipotezele evoluției chimice ar trebui să explice următoarele aspecte:

  1. Apariția în spațiu sau pe Pământ a condițiilor pentru sinteza autocatalitică a unor volume mari și a unei varietăți semnificative de molecule cu conținut de carbon, adică apariția în procese abiogene a unor substanțe necesare și suficiente pentru începutul evoluției chimice.
  2. Apariția unor agregate închise relativ stabile din astfel de molecule, permițându-le să se izoleze de mediu în așa fel încât schimbul selectiv de materie și energie să devină posibil cu acesta, adică apariția anumitor structuri protocelulare.
  3. Apariția în astfel de agregate a sistemelor informatice chimice capabile de auto-schimbare și auto-replicare, adică apariția unor unități elementare ale codului ereditar.
  4. Apariția dependenței reciproce între proprietățile proteinelor și funcțiile enzimelor cu purtători de informații ( ARN , ADN ), adică apariția codului propriu-zis al eredității, ca o condiție necesară deja pentru evoluția biologică.

O mare contribuție la clarificarea acestor probleme, printre altele, a fost adusă de următorii oameni de știință:

Un model unificat al evoluției chimice nu a fost încă dezvoltat, poate pentru că principiile care stau la baza nu au fost încă descoperite.

Preliminari

Biomolecule

Sinteza prebiotică a compușilor complecși de molecule poate fi împărțită în trei etape succesive:

  1. Apariția compușilor organici simpli ( alcooli , acizi , compuși heterociclici : purine , pirimidine și piroli ) din materiale abiogene.
  2. Sinteza compușilor organici mai complecși - "biomolecule" - reprezentanți ai celor mai comune clase de metaboliți , inclusiv monomeri  - unități structurale de biopolimeri ( monozaharide , aminoacizi , acizi grași , nucleotide ) din compuși organici simpli.
  3. Apariția biopolimerilor complecși ( polizaharide , proteine , acizi nucleici ) din principalele unități structurale - monomeri.

Una dintre întrebări este compoziția chimică a mediului în care s-a realizat sinteza prebiologică, inclusiv care componente anorganice au fost sursele diferitelor elemente care alcătuiesc diverși compuși organici.

Compoziția elementară a biomoleculelor:
C H O N S P
Carbohidrați X X X
Grasimi X X X X
Fosfolipide X X X X X
Veverițe X X X X X
Nucleotide X X X X X
Porfirine X X X X
Posibile surse anorganice de elemente:
Forma restaurată forma oxidata
Carbon (C) Metan (CH 4 ), monoxid de carbon (monoxid de carbon, CO) Dioxid de carbon (CO 2 )
Hidrogen (H) Hidrogen ( H2 ) Apa ( H2O )
Oxigen (O) H2O _ _ Oxigen (O 2 )
Azot (N) Amoniac ( NH3 ) Nitrați (NO 3 - )
sulf (S) Hidrogen sulfurat ( H2S ) Sulfați ( SO42- ) _
Fosfor (P) Fosfați (PO 4 3- )

Toate ipotezele pornesc de la faptul că, pe lângă apă și fosfați, în fazele inițiale ale istoriei Pământului, în atmosferă și hidrosferă erau prezente în cantități suficiente doar forme reduse, care diferă de compușii chimici obișnuiți în perioada modernă, deoarece atmosfera antică nu conținea oxigen molecular.

La acel moment, radiațiile ultraviolete de la Soare, căldura din procesele vulcanice , radiațiile ionizante din dezintegrarea radioactivă și descărcările electrice puteau acționa ca o sursă de energie care a inițiat sinteza . Există, de asemenea, teorii în care procesele redox dintre gazele vulcanice (agent reducător) și mineralele sulfurate parțial oxidante, de exemplu, pirita (FeS 2 ) pot servi ca sursă de energie necesară pentru apariția biomoleculelor.

Dezvoltarea atmosferei antice

Dezvoltarea atmosferei terestre face parte din evoluția chimică și, în plus, un element important în istoria climei. Astăzi este împărțit în patru etape importante de dezvoltare.

La început, a avut loc formarea elementelor chimice în spațiu și apariția Pământului din ele - acum aproximativ 4,56 miliarde de ani. Probabil că planeta noastră avea deja destul de devreme o atmosferă de hidrogen (H 2 ) și heliu (He), care, totuși, s-a pierdut din nou în spațiul cosmic. Astronomii pornesc și de la faptul că, din cauza temperaturilor relativ ridicate și a efectelor vântului solar, doar o cantitate mică de elemente chimice ușoare (inclusiv carbon , azot și oxigen ) ar putea rămâne pe Pământ și pe alte planete din apropierea Soarelui. Toate aceste elemente, care alcătuiesc astăzi partea principală a biosferei, au fost aduse, conform acestei teorii, de impactul cometelor din părțile mai exterioare ale sistemului solar abia după o perioadă lungă de timp, când protoplanetele s- au răcit puțin . . În primele câteva milioane de ani de la apariția sistemului solar, ciocnirile cu corpurile cerești s-au repetat constant, ciocnirile provocate de acestea au distrus sistemele vii formate la acea vreme prin sterilizări globale. Prin urmare, apariția vieții ar putea începe numai după acumularea apei pentru o lungă perioadă de timp, cel puțin în cele mai adânci depresiuni.

Odată cu răcirea lentă a Pământului, activitatea vulcanică (eliberarea de gaze din interiorul Pământului) și distribuția globală a materialelor din cometele căzute, a apărut o a doua atmosferă terestră. Cel mai probabil, a constat din vapori de apă ( H2O ; până la 80%), dioxid de carbon (CO2 ; până la 20%), hidrogen sulfurat ( H2S; până la 7%), amoniac ( NH3 ) și metan (CH4 ) . Procentul mare de vapori de apă se explică prin faptul că suprafața Pământului era la acea vreme încă prea fierbinte pentru formarea mărilor. În primul rând, molecule organice mici (acizi, alcooli, aminoacizi) s-au putut forma din apă, metan și amoniac în condițiile tânărului Pământ, ulterior și polimeri organici (polizaharide, grăsimi, polipeptide), care erau instabile în atmosferă acidă. .

După ce atmosfera s-a răcit sub punctul de fierbere al apei, a început o perioadă foarte lungă de precipitații, care au format oceanele. Saturația altor gaze atmosferice în raport cu vaporii de apă a crescut. Iradierea intensă cu ultraviolete a provocat descompunerea fotochimică a apei, metanului și amoniacului, ducând la acumularea de dioxid de carbon și azot. Gazele ușoare - hidrogen și heliu - au fost duse în spațiu, dioxidul de carbon dizolvat în cantități mari în ocean, crescând aciditatea apei. Valoarea pH -ului a scăzut la 4. Azotul inert și puțin solubil N 2 s-a acumulat în timp și a format componenta principală a atmosferei în urmă cu aproximativ 3,4 miliarde de ani.

Precipitarea dioxidului de carbon dizolvat a reacționat cu ionii metalici (carbonați) și dezvoltarea ulterioară a ființelor vii care au asimilat dioxidul de carbon a dus la scăderea concentrației de CO 2 și la creșterea pH-ului în corpurile de apă.

Oxigenul O 2 joacă un rol important în dezvoltarea ulterioară a atmosferei. S-a format odată cu apariția creaturilor vii fotosintetice , probabil cianobacteriile (alge albastre-verzi) sau procariote similare . Asimilarea dioxidului de carbon de către aceștia a dus la o scădere suplimentară a acidității, saturația atmosferei cu oxigen a rămas încă destul de scăzută. Motivul pentru aceasta este utilizarea imediată a oxigenului dizolvat în ocean pentru oxidarea ionilor divalenți de fier și a altor compuși oxidabili. În urmă cu aproximativ două miliarde de ani, acest proces s-a încheiat, iar oxigenul a început să se acumuleze treptat în atmosferă.

Oxigenul foarte reactiv oxidează cu ușurință biomoleculele organice susceptibile și astfel devine un factor de selecție a mediului pentru organismele timpurii. Doar câteva organisme anaerobe au putut să se deplaseze în nișe ecologice fără oxigen, cealaltă parte a dezvoltat enzime (de exemplu, catalaze ) care fac ca oxigenul să nu fie periculos. La unele microorganisme, aceste enzime au evoluat în enzime membranare complexe, oxidazele terminale, care folosesc metabolic oxigenul prezent pentru a stoca energia necesară creșterii propriilor celule - etapa finală de oxidare în lanțul de respirație aerobă. În funcție de organism, există diferite forme de oxidaze terminale, de exemplu, chinol oxidaza sau citocrom C oxidaza, care diferă prin centrii activi care conțin ioni de cupru și hemi. Acest lucru dă motive să credem că au avut originea în diferite moduri paralele de dezvoltare. În multe cazuri, în același organism apar diferite tipuri de oxidaze terminale. Aceste enzime sunt ultimele dintr-un lanț de complexe enzimatice secvențiale care conservă energia redox prin transferul de protoni sau ioni de sodiu sub forma unui potențial electric transmembranar. Acesta din urmă este transformat din nou în energie chimică sub formă de ATP de către un alt complex de enzime . Sinteza ATP și a altor componente ale lanțului respirator în lumina evolutivă este mult mai veche decât oxidazele finale, deoarece acestea au jucat deja un rol important în multe procese metabolice aerobe (respirație aerobă, multe procese de fermentație , metanogeneză ), precum și în cele anoxigenice. și fotosinteza oxigenată.

În urmă cu un miliard de ani, conținutul de oxigen din atmosferă a depășit pragul de unu la sută și câteva milioane de ani mai târziu s-a format stratul de ozon . Conținutul de oxigen de astăzi de 21% a fost atins cu doar 350 de milioane de ani în urmă și a rămas stabil de atunci.

Importanța apei pentru originea și conservarea vieții

Viața așa cum o cunoaștem (sau o definim) necesită apă ca solvent universal . Apa are un set de calități care fac viața posibilă. Nu există nicio dovadă că viața poate apărea și poate exista independent de apă și este general acceptat că numai prezența apei în fază lichidă (într-o anumită zonă sau pe o anumită planetă ) face posibilă viața.

Pentru sinteza moleculelor complexe și respectarea condițiilor limită ale reacțiilor autocatalitice dintre ele (care oferă posibilitatea fundamentală a trecerii de la evoluția chimică la evoluția materiei vii), sunt importante următoarele caracteristici ale apei:

Experimente

Experimentul Miller-Urey

Una dintre cele mai cunoscute ipoteze ale evoluției a fost publicată în anii douăzeci ai secolului XX de către cercetătorul rus A. I. Oparin și cercetătorul britanic J. Haldane. Teoria susținea că condițiile de pe Pământul primitiv favorizau reacțiile chimice. Din compușii abiogeni cu molecule scăzute din atmosferă și mare, ar fi trebuit sintetizați compuși organici complecși. Energia necesară a fost furnizată de radiațiile ultraviolete foarte intense, care puteau pătrunde liber în atmosferă datorită conținutului scăzut de oxigen și ozon din ea .

În 1953, această teorie a fost fundamentată de chimiștii Stanley Miller și Harold C. Urey cu rezultate foarte bune dintr-un experiment cu „ supa primordială ”. Ei au demonstrat experimental că într-un mediu asemănător unui mediu cu presupuse condiții prebiotice, prin afluxul de energie din exterior (fulger), din compuși abiogeni cu greutate moleculară mică (apă, metan , amoniac și hidrogen), aminoacizi și carboxilici mai simpli și pot apărea acizi grași - unul dintre cele mai importante blocuri de construcție ale biomoleculelor (mai mult, studiile moderne ale conținutului conservat al baloanelor lui Miller au arătat că acestea conțineau mai mulți aminoacizi decât putea detecta Miller [9] ).

Mai târziu, în cele mai multe cazuri, experimente mai complexe cu bulion primordial, experimentatorii au reușit să obțină atât toate cele mai importante blocuri de construcție ale ființelor vii - aminoacizi , grăsimi , zaharuri , nucleotide  - cât și compuși organici mai complecși - porfine și izoprenoide [10]. ] .

Potrivit biochimistului Robert Shapiro , aminoacizii sintetizați de Miller și Urey sunt molecule mult mai puțin complexe decât nucleotidele . Cel mai simplu dintre cei 20 de aminoacizi care fac parte din proteinele naturale are doar doi atomi de carbon, iar 17 aminoacizi din același set au șase sau mai mulți. Aminoacizii și alte molecule sintetizate de Miller și Urey nu conțineau mai mult de trei atomi de carbon. Și nucleotidele au fost obținute în cursul unor astfel de experimente abia în 2009 [11] [12] .

Deși acest lucru a arătat posibilitatea formării naturale a moleculelor organice, aceste rezultate sunt uneori criticate astăzi. În experimentul cu supa primordială s-a presupus că atmosfera din acea vreme avea un caracter alcalin, care corespundea ideilor științifice ale vremii. Astăzi, însă, se presupune că atmosfera este slab alcalină sau chiar neutră, deși problema nu a fost încă rezolvată definitiv și se discută și deviațiile chimice locale ale condițiilor atmosferice, de exemplu, în vecinătatea vulcanilor. Experimentele ulterioare au dovedit posibilitatea apariției moleculelor organice chiar și în aceste condiții, chiar și cele care nu au rezultat în primele experimente, ci în cantități mult mai mici. Acest lucru susține adesea că originea moleculelor organice într-un mod diferit a jucat cel puțin un rol suplimentar. De asemenea, sunt prezentate teorii despre originea substanțelor organice din vecinătatea gurilor hidrotermale ale crestelor oceanice .

Ca argument împotriva originii moleculelor organice din bulionul primordial, se menționează uneori faptul că în timpul experimentului se obține un racemat, adică un amestec egal al formelor L și D ale aminoacizilor. În consecință, trebuie să fi existat un proces natural în care a fost preferată o anumită variantă de molecule chirale. Unii biologi spațiali susțin că este mai ușor să se dovedească originea compușilor organici în spațiu, deoarece, în opinia lor, procesele fotochimice cu radiații polarizate circular, cum ar fi cele ale pulsarilor, sunt capabile să distrugă doar moleculele cu o anumită rotație. Într-adevăr, moleculele organice chirale găsite în meteoriți au fost dominate de 9% stângaci. Cu toate acestea, în 2001, Alan Saghatelian [13] a arătat că sistemele de peptide autoreplicabile sunt, de asemenea, capabile să selecteze eficient molecule cu o anumită rotație într-un amestec racemic, ceea ce face posibilă și originea terestră a polimerilor din anumiți izomeri optici.

Reacții ulterioare

Din produșii intermediari ai aldehidelor și acidului cianhidric HCN care apar în experimentul Miller-Urey, pot fi obținute alte biomolecule în condiții simulate ale Pământului cu 4,5 miliarde de ani în urmă. Astfel, Juan Oro a reușit în 1961 să realizeze sinteza adeninei :

educte Produse
2 Formaldehidă HCN H2O _ _ Senin
5 Formaldehidă Riboza
5 HCN adenina

Din riboză, adenină și trifosfat se formează adenozin trifosfat (ATP), care este utilizat în organisme ca purtător de energie universal și element de construcție (sub formă de monofosfat) al acizilor ribonucleici (ARN). De asemenea, a fost posibilă sinteza guaninei și xantinei din derivații de acid cianhidric (HCN), apă (H2O) și amoniac (NH3) [14] .

Implicarea mineralelor și rocilor

Teoria lui Wächterhäuser

O formă deosebit de intensivă a contribuției mineralelor și rocilor la sinteza prebiotică a moleculelor organice trebuie să aibă loc pe suprafața mineralelor sulfurate de fier. Teoria Miller-Urey are limitări semnificative, mai ales având în vedere explicația eronată pentru polimerizarea constituenților monomerici ai unei biomolecule.

Un scenariu alternativ a fost dezvoltat de la începutul anilor 1980 de Günther Wächterhäuser. Conform acestei teorii, viața pe Pământ a apărut pe suprafața mineralelor fier-sulfuroase, adică sulfuri, care se formează și astăzi prin procese geologice, iar pe Pământul tânăr ar fi trebuit să fie mult mai frecventă. Această teorie, în opoziție cu ipoteza mondială a ARN , sugerează că metabolismul a precedat apariția enzimelor și genelor . Ca loc potrivit, fumătorii negri sunt sugerați pe fundul oceanelor, unde sunt prezentați din abundență presiune înaltă, temperatură ridicată, lipsă de oxigen și diverși compuși care ar putea servi drept material de construcție al „cărămizilor vieții” sau catalizator în un lanț de reacții chimice. Marele avantaj al acestei ipoteze față de predecesorii săi este că pentru prima dată formarea de biomolecule complexe este asociată cu o sursă constantă de energie fiabilă. Energia este eliberată în timpul reducerii mineralelor fier-sulf parțial oxidate, de exemplu, pirita (FeS 2 ), cu hidrogen (ecuația reacției: FeS 2 + H 2 ⇆ FeS + H 2 S), iar această energie este suficientă pentru endoterma. sinteza elementelor structurale monomerice ale biomoleculelor și polimerizarea acestora:

Fe 2+ + FeS 2 + H 2 ⇆ 2 FeS + 2 H + ΔG°' = −44,2 kJ/mol

Alte metale, cum ar fi fierul, formează și sulfuri insolubile. În plus, pirita și alte minerale fier-sulf au o suprafață încărcată pozitiv, pe care biomoleculele încărcate predominant negativ (acizi organici, esteri fosforici, tioli) pot fi localizate, concentrate și reacționate între ele. Substanțele necesare pentru aceasta (hidrogen sulfurat, monoxid de carbon și săruri feroase) cad din soluție pe suprafața acestei „ lumi fier-sulf ”. Wächterhäuser se bazează pe mecanismele fundamentale existente ale metabolismului pentru teoria sa și derivă din acestea un scenariu închis pentru sinteza moleculelor organice complexe (acizi organici, aminoacizi, zahăr, baze azotate, grăsimi) din compuși abiogeni cu greutate moleculară mică găsiți în gazele vulcanice. ( NH3 , H2 , CO, C02 , CH4 , H2S ) .

Spre deosebire de experimentul Miller-Urey, nu sunt implicate surse de energie din exterior, sub formă de fulgere sau radiații ultraviolete; în plus, primele etape ale sintezei la temperaturi și presiuni ridicate decurg mult mai repede (de exemplu, reacții chimice catalizate de enzime). La temperaturi ale vulcanilor subacvatici de până la 350 ° C, apariția vieții este destul de imaginabilă. Abia mai tarziu, odata cu aparitia catalizatorilor sensibili la temperaturi ridicate (vitamine, proteine), evolutia ar fi trebuit sa se produca la o temperatura mai scazuta.

Scenariul Wächterhäuser este potrivit pentru condițiile gurilor hidrotermale de adâncime, deoarece diferența de temperatură de acolo permite o distribuție similară a reacțiilor. Cele mai vechi microorganisme vii de astăzi sunt cele mai rezistente la căldură, temperatura maximă limită cunoscută pentru creșterea lor este de +122 °C. În plus, centrii activi fier-sulf sunt încă implicați în procesele biochimice, ceea ce poate indica participarea primară a mineralelor Fe-S în dezvoltarea vieții.

Această teorie are însă un dezavantaj semnificativ, care constă în faptul că feroplasma este un microorganism aerob, iar metabolismele aerobe au apărut evolutiv mult mai târziu decât cele anaerobe. (vezi articolul principal) .

Zinc World

Alături de ipoteza lumii „fier-sulf”, comunitatea științifică are în vedere ideea „lumii zincului”, propusă de biofizicianul Armen Mulkidzhanyan [15] [16] . Se presupune că catalizatorii pentru reacțiile chimice de aici au fost sulfura de zinc (ZnS) și hidrogen sulfurat (H 2 S), care au extras energie din radiația ultravioletă .

Astfel, azotul ar putea fi redus la amoniac [17] :

Și dioxid de carbon, la acid formic:

Acidul formic și amoniacul, formate pe sulfura de zinc, precipită sub formă de formiat de amoniu HCOOHN4 când apa se usucă. Această sare, atunci când este încălzită în formă uscată, pierde apă și se transformă în CHONH2 formamidă . Formamida poate servi ca materie primă pentru sinteza bazelor azotate ale ARN [18] [19] . În plus, datorită punctului de fierbere ridicat (218 °C la presiune normală), se acumulează eficient în bălțile de uscare, iar în mediul formamidă, spre deosebire de mediul apos, nucleotidele sunt ușor combinate în ARN și nu se dezintegrează.

În plus, sulfura de zinc este capabilă să primească excitație luminoasă de la nucleotide, ARN și alte molecule. Acest lucru protejează ARN-ul de degradarea UV și, în același timp, acumularea de ARN pe suprafața mineralului permite colectarea mai multă lumină și accelerează „fotosinteza” în acea locație.

De asemenea, în favoarea „lumii zincului” este faptul că fierul este complet absent în structurile cunoscute ale ARN-ului, iar zincul se găsește mai des decât alte metale de tranziție. Pe locul doi se află manganul, care se comportă ca zincul. Multe ribozime necesită prezența ionilor metalici pentru a prezenta activitate catalitică. Dintre aceste metale, cele mai comune sunt magneziul, zincul și manganul, în timp ce fierul nu se găsește niciodată [20] .

Astfel, locul cel mai favorabil pentru apariția vieții nu sunt fumătorii negri , ci vulcanii noroioși , deoarece au [21] [22] :

Niciun alt habitat nu are toate aceste avantaje simultan. De exemplu, la „fumătorii negri” nu există nicio îmbogățire cu potasiu și fosfor, nici radiații ultraviolete și nici o acumulare de substanțe în bălțile în evaporare. Așadar, vasele de noroi ale câmpurilor geotermale terestre par astăzi să fie locul cel mai probabil pentru apariția vieții.

Teoria „zincului” este susținută și de faptul că ionii de fier scindează cu ușurință ARN-ul prin legarea la grupările hidroxil 2’ și 3’ ale ribozei. Prin urmare, celulele stochează excesul de fier într-o formă legată, împreună cu proteina feritină. În timp ce ionii de zinc nu distrug molecula de ARN.

Formarea macromoleculelor

Biomacromoleculele sunt proteine ​​și acizi nucleici. Creșterea lanțurilor moleculare (polimerizare) are nevoie de energie și are loc odată cu eliberarea de apă ( condens ). În timpul divizării macromoleculelor (hidroliză), se eliberează energie. Deoarece echilibrul chimic este deplasat atât de puternic către monomeri, încât reacția se desfășoară termodinamic ireversibil către hidroliza polimerilor, sinteza polimerilor este imposibilă fără o sursă constantă de energie. Chiar și cu suportul teoretic al evaporării apei, adăugarea de săruri (apă de legare) sau defalcarea produselor, echilibrul este doar ușor deplasat. Ca rezultat, apariția vieții este foarte probabil asociată cu o sursă sigură de energie care ar fi folosită pentru polimerizare.

[Monomeri] n + H 2 O n Monomeri + căldură,

dar

Energie + Monomeri [Monomeri] n + H 2 O.

ATP este folosit cel mai adesea ca sursă de energie în biochimie, pentru formarea căreia sunt necesare enzime deja existente. În condițiile unui Pământ tânăr, este posibil să se furnizeze energie pentru sinteza polimerilor prin scindarea hidrolitică a polifosfaților, care este folosită de unele enzime în loc de scindarea ATP astăzi. Dar este puțin probabil ca polifosfații să fie în cantitatea necesară, deoarece s-au putut forma spontan, la evaporarea soluțiilor care conțin fosfați, dar se puteau hidroliza relativ rapid, dizolvându-se în apă. Procese similare ar putea avea loc pe coastă cu o maree înaltă și joasă regulată. Dar în acest caz, toate procesele dependente de apă ar fi întrerupte în mod constant, ceea ce ar încetini prea mult sinteza compușilor complecși. Prin urmare, să ne întoarcem la un sistem complet diferit, în care au loc atât sinteza componentelor monomerice, cât și formarea polimerilor dependenți de o sursă constantă de energie - reacții redox anaerobe cu sulfuri metalice.

Echilibrul sintezei polimerilor este deplasat către formarea polimerilor prin creșterea concentrației de monomeri și deshidratarea produșilor de reacție. Condiția pentru aceasta este restrângerea mediului de reacție, care are doar un schimb limitat de substanțe cu mediul extern. Se credea în mod tradițional că astfel de procese au loc în iazuri mici cu evaporare mare, care se bazează pe lucrările lui C. Darwin. Astăzi, regiunile vulcanice ale oceanelor cu sulfuri metalice depuse din gurile hidrotermale sunt considerate drept un loc destul de potrivit pentru dezvoltarea unui astfel de scenariu.

Alte soluții la problemă au limitări severe și sunt dificil de comparat cu condițiile de pe Pământul timpuriu. Este avantajos necesar ca unul sau mai mulți pași să excludă apa, ceea ce este foarte ușor de făcut în laborator, dar nu la momentul considerat pe pământ. Un astfel de sistem este polimerizarea carbamidelor (RN=C=NR) sau cianogenului (N≡CC≡N) într-un mediu anhidru. În acest caz, condensarea componentelor inițiale are loc în paralel cu reacția ureei, în care se eliberează energia necesară:

Energie + [HX-OH] + [HX-OH] [XX] + H2O (HX-OH = monomer cum ar fi aminoacid sau riboza)

[RN \u003d C \u003d NR] + H 2 O [R-NH-CO-NH-R] + Energie (dacă apare R \u003d H uree )

Cu radiația ultravioletă, cianura se formează din acidul cianhidric, dar într-o mlaștină de uscare, molecula volatilă s-ar evapora rapid. Dacă un amestec uscat de aminoacizi este încălzit la 130 ° C timp de câteva ore, se formează macromolecule asemănătoare proteinelor. În prezența polifosfaților, 60 °C este suficientă. Aceste condiții se pot forma dacă apa cu aminoacizi dizolvați intră în contact cu cenușa vulcanică fierbinte.

Dacă amestecul de nucleotide este încălzit în prezența polifosfaților la 55 °C, atunci, deși apar polinucleotide, conexiunea este încă mai probabilă din cauza atomilor 5’- și 2’-C ai ribozei, deoarece se desfășoară mai ușor decât în toate organismele disponibile legături 5'-3'. Lanțurile duble sunt formate din ambele tipuri de polinucleotide (comparați cu structura ADN-ului). Desigur, lanțurile duble 5'-3' sunt mai stabile decât 5'-2'.

Dacă nu există o grupare hidroxil pe atomul de carbon 2' al ribozei, se obţine deoxoriboză. Legăturile tipice 5’-3’ ale ADN-ului se pot forma acum.

Formarea structurilor prebiotice (precursori celulari)

Celulele își mențin funcțiile formând medii separate pentru reacțiile chimice pentru a separa procesele metabolice și a elimina reacțiile nedorite. Acest lucru poate crea diferențe de concentrare.

Coacervează

Se știe că, odată cu creșterea concentrației, mulți compuși organici, ale căror molecule conțin atât situsuri hidrofile, cât și hidrofobe , sunt capabili să formeze micele în soluții apoase , adică să elibereze micropicături de faza organică. Micelizarea se observă și în timpul sărării, adică cu o creștere a concentrației de săruri în soluțiile coloidale de biopolimeri-polielectroliți, în timp ce se eliberează micropicături cu un diametru de 1–500 μm, care conțin concentrații mari de biopolimeri.

Alexander Ivanovich Oparin (1894-1980) a studiat în principal posibilitățile metabolismului în coacervate (din latinescul coacervatio - cheag sau grămadă) - micelii model. El a arătat că mediile limitate cu un simplu schimb de substanțe pot apărea exclusiv prin auto-organizare, cu condiția să fie prezenți catalizatori cu proprietăți specifice. Deoarece substanțele folosite fac parte din organismele vii astăzi, coacervatele de Oparin nu trebuie considerate ca progenitori ai celulelor, ci ca un model pentru apariția unor astfel de progenitori.

Oparin a investigat amestecuri de proteine ​​(histone și albumină), proteine ​​și carbohidrați (histone și gumă arabică) și proteine ​​și polinucleotide (histone sau lupeină și ADN sau ARN).

Dacă picăturile de histonă și gumă arabică conțin enzima fosforilază, atunci pot absorbi glucoza-1-fosfat din mediu, pot crea amidon din acesta și îl pot stoca. Fosfatul eliberat difuzează spre exterior. Picătura crește odată cu acumularea de amidon până când se descompune în picături mici, care pot conține, de asemenea, fosforilază, desigur, mai puțin decât picătura originală. În același timp, metabolismul încetinește. Astfel, devine evident că pentru a păstra calitățile celulei este necesară regenerarea enzimelor după divizarea acesteia.

Dacă în suspensie se adaugă enzima de descompunere a amidonului, se obțin coacervați cu un metabolism în două etape: 1) absorbția glucozei-1-fosfat → sinteza amidonului; 2) retragerea fosfatului → descompunerea amidonului și retragerea maltozei.

Microsfere

În 1970, Sydney Fox a reușit să confirme că picăturile în creștere, așa-numitele microsfere, ar putea fi formate din produse asemănătoare proteinelor care apar atunci când amestecurile uscate de aminoacizi sunt încălzite, precum și prin auto-asamblare. Ele sunt separate de mediu printr-o membrană de osmoză inversă și absorb alte materiale asemănătoare proteinelor din mediu. Ca urmare, ele cresc și sunt împărțite din nou în picături mai mici. Pe baza acestui fapt, Fox a concluzionat că aceste sisteme au calități enzimatice, descompun glucoza sau se comportă ca o esterază sau peroxidază , fără adăugarea de enzime din exterior.

RNA World

Ipoteza lumii ARN a fost prezentată pentru prima dată în 1986 de Walter Gilbert și a afirmat că moleculele de ARN au fost precursorii organismelor.

Ipoteza se bazează pe capacitatea ARN-ului de a stoca, transmite și reproduce informații genetice, precum și pe capacitatea sa de a cataliza reacții ca ribozime. Într-un mediu evolutiv, moleculele de ARN care se înmulțesc predominant ar fi mai frecvente decât altele.

Punctul de plecare este moleculele simple de ARN auto-replicabile. Unele dintre ele au capacitatea de a cataliza sinteza proteinelor, care la rândul lor catalizează sinteza ARN-ului și propria lor sinteză (dezvoltarea traducerii). Unele molecule de ARN sunt conectate într-o dublă helix de ARN, se dezvoltă în molecule de ADN și purtători de informații ereditare (dezvoltare transcripțională).

Baza este anumite molecule de ARN care pot copia orice probă de ARN, inclusiv ele însele. Jennifer A. Doudna și Jack B. Szostak au folosit ca șablon pentru dezvoltarea acestui tip de ARN care se taie și se îmbină în intronul organismului unicelular procariot Tetrahymena thermophila. Acest lucru confirmă faptul că ARN-urile în sine sunt molecule catalitice în ribozomi și astfel ARN-ul catalizează sinteza proteinelor. Cu toate acestea, limitările sunt că, cu ARN-ul auto-replicator, nu mono-, ci oligonucleotidele sunt legăturile constitutive și sunt necesare substanțe auxiliare.

În 2001, s-a descoperit că centrii catalitici importanți ai ribozomilor sunt ARN-ul și nu, așa cum era acceptat anterior, proteinele. Acest lucru arată că funcția catalitică a ARN-ului, așa cum sugerează ipoteza lumii ARN, este folosită de ființele vii astăzi.

Deoarece ribozomii sunt considerați a fi organite celulare foarte primitive, această descoperire este considerată o contribuție importantă la fundamentarea ipotezei lumii ARN. Este deja sigur să spunem că moleculele de ARN pot sintetiza proteine ​​din aminoacizi.

În acest sens, nucleoproteinele (complexe de acizi nucleici cu proteine) sunt de asemenea de interes ca posibili precursori ai ARN-ului.

Un alt precursor de ARN ar putea fi hidrocarburile aromatice policiclice . Ipoteza lumii poliaromatice încearcă să răspundă la întrebarea cum au apărut primele ARN-uri, sugerând o variantă de evoluție chimică de la hidrocarburi aromatice policiclice la lanțuri asemănătoare ARN-ului.

Biomolecule din spațiu

Pământul a fost bombardat de comete și meteoriți de-a lungul existenței sale. Au fost deosebit de intense imediat după formarea planetei. S-a descoperit că unii meteoriți conțin compuși organici simpli, printre alții aminoacizi. Una dintre posibilele dovezi ale originii aminoacizilor în spațiu ar putea fi aceeași chiralitate a compușilor organici (L-aminoacizi și D-zaharuri) - în aminoacizii meteoriți, s-a dovedit prevalența tipului L de până la 9% [ 23] . Dar această distribuție poate fi explicată și prin acțiunea catalizatorilor abiogeni de grăsimi.[ termen necunoscut ] . Experimentele care simulează condițiile spațiale au arătat că compușii organici bazici, în special aminoacizii, pot fi formați și în astfel de condiții (Bernstein, M.P., et al. 2002. „Aminoacizi racemici din fotoliza ultravioletă a analogilor de gheață interstelară” Nature 416, 401 și Munoz Caro, G., și colab., 2002. „Aminoacizi din iradierea ultravioletă a analogilor de gheață interstelară” Nature 416, 403).

„Fumătorii negri”

Condițiile de mediu din aceste orificii hidrotermale ar fi putut contribui la originea chimioautotrofă a vieții . Această teorie este susținută de cercetătorii William Martin și Michael Roussel [24] .

Vezi și

Note

  1. ↑ Futuyma DJ Evolution. - Sunderland: Sinauer Associates, 2005. - P. 92-94. - ISBN 0-878-93187-2 .
  2. ↑ Ridley M. Evoluția. — Ed. a 3-a. - Wiley-Blackwell, 2004. - P. 529-531. — 751 p. — ISBN 978-1-4051-0345-9 .
  3. ↑ Rauchfuss, Horst. Evoluția chimică și originea vieții. - Springer, 2008. - ISBN 978-3-540-78822-5 .
  4. ↑ Engels F. Anti-Dühring; Marx K. și Engels F., Opere, ed. a 2-a, vol. 20, p. 82.
  5. ↑ Protocelulele artificiale sintetizează ADN-ul fără ajutorul enzimelor
  6. ↑ Cum a început reproducerea pe Pământ (link inaccesibil) . Preluat la 2 octombrie 2012. Arhivat din original la 26 ianuarie 2012. 
  7. ↑ Elemente: Ipoteza Gaia
  8. ↑ Reglementarea biotică: Întrebările tale
  9. ↑ „Rezultate noi din vechiul experiment al lui Stanley Miller”
  10. ↑ Experimentul Miller-Urey . lektsii.com. Preluat: 22 martie 2020.
  11. ↑ Matthew W. Powner, Beatrice Gerland, John D. Sutherland. Sinteza ribonucleotidelor pirimidinice activate în condiții prebiotic plauzibile // Nature. 2009. V. 459. P. 239-242.
  12. ↑ Elemente - știri științifice: Chimiștii depășesc principalul obstacol în calea sintezei abiogene de ARN
  13. ↑ A. Saghatelian et al. , 2001, A chiroselective peptide replicator , Nature, 409, 797-801
  14. ↑ Rutten M.G. . Experimentele lui Oro cu medii apoase încălzite .
  15. ↑ Mulkidzhanyan Armen Yakovlevici. Despre originea vieții în lumea Zincului: I. Construcții poroase, poroase, construite din sulfură de zinc precipitată hidrotermal ca leagăne ale vieții pe Pământ .
  16. ↑ Mulkidzhanyan Armen Yakovlevici. Despre originea vieții în lumea zincului. 2. Validarea ipotezei asupra edificiilor fotosintetizatoare de sulfură de zinc ca leagăne ale vieții pe Pământ. .
  17. ↑ Mihail Nikitin. „Lumea zincului” .
  18. ↑ SD Senanayake și H. Idriss. Fotocataliza și originea vieții: Sinteza bazelor nucleozidice din formamidă pe suprafețe unice TiO2(001) .
  19. ↑ Martin Ferus, Fabio Pietrucci, Antonino Marco Saitta, Antonín Knížek, Petr Kubelík, Ondřej Ivanek, Violetta Shestivska și Svatopluk Civiš. Formarea nucleobazelor într-o atmosferă reducătoare Miller–Urey (Eng).
  20. ↑ Mihail Nikitin. Cum să alegi între lumea „zinc” și „fier-sulf”? .
  21. ↑ Mihail Nikitin. Răspunsuri diferite la întrebarea vieții .
  22. ↑ Mihail Nikitin. Originea vieții. De la nebuloasă la celulă.. — 2016.
  23. ↑ JR Cronin, S. Pizzarello, (2002) Enantiomeric Excesses in Meteoritic Amino Acids Science, 275, pp. 951-955 [1]
  24. ↑ M. Martin, MJ Russell, (2003). Despre originile celulelor: o ipoteză pentru tranzițiile evolutive de la geochimia abiotică la procariotele chimioautotrofe și de la procariote la celulele nucleare. Philos. Trans. R. Soc. London Ser. B 358, 59-85

Link -uri