Theorie der chemischen Evolution (Präbiotische Evolution, Theorie der Abiogenese) ist die erste Stufe in der Evolution des Lebens, in der organische, präbiotische Substanzen aus anorganischen Molekülen unter dem Einfluss äußerer Energie und Selektionsfaktoren und durch den Einsatz von Selbstorganisationsprozessen entstanden sind, die allen relativ komplexen Systemen innewohnen, was zweifellos der Fall ist alle kohlenstoffhaltigen Moleküle. Diese Begriffe bezeichnen auch die Theorie der Entstehung und Entwicklung jener Moleküle, die für die Entstehung und Entwicklung lebender Materie von grundlegender Bedeutung sind.
Das Leben in unserem Universum wird auf die einzig mögliche Weise dargestellt: als „Existenzweise von Proteinkörpern“, möglich aufgrund der einzigartigen Kombination der Polymerisationseigenschaften von Kohlenstoff und den depolarisierenden Eigenschaften des flüssigen wässrigen Mediums, wie es gemeinsam erforderlich ist und hinreichende Bedingungen für die Entstehung und Entwicklung aller uns bekannten Lebensformen. Dies impliziert, dass es zumindest innerhalb einer gebildeten Biosphäre nur einen gemeinsamen Vererbungscode für alle Lebewesen einer bestimmten Biota geben kann, aber die Frage bleibt offen, ob es andere Biosphären außerhalb der Erde und andere Varianten des genetischen Apparats gibt Sind möglich.

Forschung

Das Studium der chemischen Evolution wird durch die Tatsache erschwert, dass das derzeitige Wissen über die geochemischen Bedingungen der alten Erde nicht vollständig genug ist. Daher sind neben geologischen Daten auch astronomische Daten beteiligt. Daher werden die Bedingungen auf Venus und Mars in verschiedenen Stadien ihrer Entwicklung denen auf der Erde als ähnlich angesehen. Die wichtigsten Daten zur chemischen Evolution wurden als Ergebnis von Modellversuchen gewonnen, bei denen es möglich war, komplexe organische Moleküle durch Simulation verschiedener chemischer Zusammensetzungen der Atmosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre sowie klimatischer Bedingungen zu erhalten. Basierend auf den verfügbaren Daten wurden eine Reihe von Hypothesen über die spezifischen Mechanismen und direkten Triebkräfte der chemischen Evolution aufgestellt.

Abiogenese

In einem weiten Sinne Abiogenese- die Entstehung des Lebendigen aus dem Unbelebten, dh die Ausgangshypothese der modernen Theorie der Entstehung des Lebens. In den 1920er Jahren schlug der Akademiker Alexander Oparin vor, dass sich in Lösungen makromolekularer Verbindungen spontan Zonen erhöhter Konzentration bilden können, die relativ von der äußeren Umgebung getrennt sind und mit ihr in Austausch bleiben können. Er nannte sie Koazervat-Tropfen oder einfach Koazervat.

1953 führte Stanley Miller experimentell die abiogene Synthese von Aminosäuren und anderen organischen Substanzen unter Bedingungen durch, die die Bedingungen der Urerde reproduzieren. Es gibt auch eine Theorie der Hyperzyklen, nach der die ersten Manifestationen des Lebens jeweils in Form von Hyperzyklen erfolgten - einem Komplex komplexer katalytischer Reaktionen, deren Ausgangsprodukte Katalysatoren für nachfolgende Reaktionen sind.
Im Jahr 2008 unternahmen amerikanische Biologen einen wichtigen Schritt zum Verständnis der Anfangsstadien der Entstehung des Lebens. Es gelang ihnen, eine „Protozelle“ mit einer Hülle aus einfachen Lipiden und Fettsäuren zu schaffen, die in der Lage ist, aktivierte Nukleotide aus der Umgebung aufzunehmen – die „Bausteine“, die für die DNA-Synthese notwendig sind.

Aspekte

Hypothesen der chemischen Evolution müssen verschiedene Aspekte erklären:
1. Der nicht-biologische Beginn von Biomolekülen, dh ihre Entwicklung aus nicht lebenden und dementsprechend anorganischen Vorläufern.
2. Die Entstehung chemischer Informationssysteme, die zur Selbstreplikation und Selbstveränderung fähig sind, also die Entstehung einer Zelle.
3. Das Auftreten gegenseitiger Abhängigkeit von Funktion (Enzyme) und Information (RNA, DNA).
4. Umweltbedingungen der Erde im Zeitraum von 4,5 bis 3,5 Milliarden Jahren.

Ein einheitliches Modell der chemischen Evolution wurde noch nicht entwickelt, vielleicht weil die zugrunde liegenden Prinzipien noch nicht entdeckt wurden.

Argumentation

Biomoleküle
Die präbiotische Synthese komplexer Molekülverbindungen lässt sich in drei aufeinanderfolgende Stufen einteilen:
1. Die Entstehung einfacher organischer Verbindungen (Alkohole, Säuren, Heterocyclen: Purine, Pyrimidine und Pyrrole) aus anorganischen Stoffen.
2. Synthese komplexerer organischer Verbindungen - "Biomoleküle" - Vertreter der häufigsten Metabolitenklassen, einschließlich Monomere - Struktureinheiten von Biopolymeren (Monosaccharide, Aminosäuren, Fettsäuren, Nukleotide) aus einfachen organischen Verbindungen.
3. Die Entstehung komplexer Biopolymere (Polysaccharide, Proteine, Nukleinsäuren) aus den Hauptstruktureinheiten - Monomeren.

Antike Atmosphärenentwicklung
Die Entwicklung der Erdatmosphäre ist Teil der chemischen Evolution und darüber hinaus ein wichtiger Bestandteil der Klimageschichte. Heute wird sie in vier wichtige Entwicklungsstufen eingeteilt.

Am Anfang stand die Entstehung chemischer Elemente im Weltraum und die Entstehung der Erde daraus – vor etwa 4,56 Milliarden Jahren. Vermutlich hatte unser Planet schon recht früh eine Atmosphäre aus Wasserstoff und Helium, die jedoch nach und nach ins Weltall entwich. Astronomen gehen auch davon aus, dass aufgrund relativ hoher Temperaturen und der Auswirkungen des Sonnenwinds eine kleine Menge leichter chemischer Elemente (einschließlich Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff) auf der Erde und auf anderen sonnennahen Planeten verbleiben könnte. All diese Elemente, die heute den Hauptteil der Biosphäre ausmachen, wurden erst nach längerer Zeit, als die Protoplaneten etwas abgekühlt waren, durch Kometeneinschläge aus den äußeren Teilen des Sonnensystems gebracht. In den ersten Millionen Jahren nach der Entstehung des Sonnensystems wiederholten sich immer wieder Kollisionen mit Himmelskörpern, deren Zusammenstöße die damals entstandenen lebenden Systeme zerstörten. Daher konnte die Entstehung von Leben zumindest in den tiefsten Depressionen erst nach einer langen Ansammlung von Wasser beginnen.
Mit der langsamen Abkühlung der Erde, vulkanischer Aktivität (Freisetzung von Gasen aus dem Erdinneren) und der globalen Verteilung von Materialien gefallener Kometen entstand eine zweite Erdatmosphäre. Es bestand höchstwahrscheinlich aus Wasserdampf (bis zu 80 % H2O), Kohlendioxid (bis zu 20 % CO2), Schwefelwasserstoff (bis zu 7 %), Ammoniak und Methan. Der hohe Anteil an Wasserdampf ist darauf zurückzuführen, dass die Erdoberfläche damals noch zu heiß für die Entstehung von Meeren war. Zunächst konnten sich unter den Bedingungen einer jungen Erde aus Wasser, Methan und Ammoniak kleine organische Moleküle (Säuren, Alkohole, Aminosäuren) bilden, später - organische Polymere (Polysaccharide, Fette, Polypeptide), die in einer sauren Atmosphäre instabil waren .
Nachdem die Atmosphäre auf eine Temperatur unter dem Siedepunkt von Wasser abgekühlt war, kam ein sehr langer Regen, der die Ozeane bildete. Die Sättigung anderer atmosphärischer Gase gegenüber Wasserdampf hat zugenommen. Hohe ultraviolette Strahlung verursachte die photochemische Zersetzung von Wasser, Methan und Ammoniak, was zur Ansammlung von Kohlendioxid und Stickstoff führte. Leichte Gase - Wasserstoff und Helium - wurden in den Weltraum getragen, Kohlendioxid löste sich in großen Mengen im Ozean und oxidierte Wasser. Der pH-Wert sank auf 4. Der inerte und schwerlösliche Stickstoff N2 reicherte sich im Laufe der Zeit an und bildete vor etwa 3,4 Milliarden Jahren den Hauptbestandteil der Atmosphäre.
Die Ausfällung von gelöstem Kohlendioxid, das mit Metallionen (Karbonaten) reagierte, und die Weiterentwicklung von Lebewesen, die Kohlendioxid assimilierten, führten zu einer Abnahme der CO2-Konzentration und einem Anstieg des pH-Werts in Gewässern.
Sauerstoff O2 spielte eine wichtige Rolle bei der weiteren Entwicklung der Atmosphäre. Es entstand mit dem Aufkommen photosynthetischer Lebewesen, vermutlich Cyanobakterien (Blaualgen) oder ähnlicher Prokaryoten. Ihre Aufnahme von Kohlendioxid führte zu einer weiteren Abnahme des Säuregehalts, aber die Sauerstoffsättigung der Atmosphäre blieb ziemlich niedrig. Grund dafür ist die unmittelbare Nutzung des im Ozean gelösten Sauerstoffs zur Oxidation von zweiwertigen Eisenionen und anderen oxidierbaren Verbindungen. Vor etwa zwei Milliarden Jahren endete dieser Prozess und Sauerstoff begann sich allmählich in der Atmosphäre anzusammeln.
Der hochreaktive Sauerstoff oxidiert leicht anfällige organische Biomoleküle und wird so zu einem Umweltselektionsfaktor für frühe Organismen. Nur wenige anaerobe Organismen konnten in sauerstofffreie Lebensräume einziehen, der andere Teil entwickelte Enzyme, die Sauerstoff unschädlich machen.
Vor einer Milliarde Jahren überschritt der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre die Marke von einem Prozent und einige Millionen Jahre später bildete sich die Ozonschicht. Der heutige Sauerstoffgehalt von 21 % wurde erst vor 350 Millionen Jahren erreicht und ist seitdem stabil geblieben.

Die Bedeutung des Wassers für die Entstehung des Lebens
H2O ist eine chemische Verbindung, die unter normalen Bedingungen in allen drei Aggregatzuständen vorliegt.
Das Leben, wie wir es kennen (oder definieren), erfordert Wasser als universelles Lösungsmittel. Wasser hat eine Reihe von Eigenschaften, die Leben ermöglichen. Es gibt keine Beweise dafür, dass Leben unabhängig von Wasser entstehen und existieren kann, und es ist allgemein anerkannt, dass nur das Vorhandensein von Wasser in der flüssigen Phase (in einem bestimmten Gebiet oder auf einem bestimmten Planeten) die Entstehung von Leben dort ermöglicht.

Illustrationen

Reis. 1-2. Land- und Tiefseevulkane – wahrscheinliche Voraussetzungen für die Entstehung von Leben auf der Erde

Die Einheit des Ursprungs des Lebens auf der Erde und die Gründe für die Heterogenität und Vielfalt lebender Organismen

Aufgeführt:

Schüler natürlich

Fakultät für Geographie

GR. BI - 11

Frolova Alla Alexandrowna

Uljanowsk, 2014

Kapitel I. Ursprungseinheit. 3

1. 1. Präbiologische (chemische) Evolution. 3

1. 2. Hauptstadien der chemischen Evolution. 3

Kapitel II. Ursachen von Heterogenität und Diversität. 7

Gebrauchte Bücher. zehn

Kapitel I. Ursprungseinheit.

Präbiologische (chemische) Evolution.

Nach Ansicht der meisten Wissenschaftler (hauptsächlich Astronomen und Geologen) ist die Erde vor etwa 5 Milliarden Jahren als Himmelskörper entstanden. durch Kondensation von Partikeln einer um die Sonne rotierenden Gas- und Staubwolke.

Der reduzierende Charakter der Primäratmosphäre der Erde ist für die Entstehung des Lebens von großer Bedeutung, da Stoffe im reduzierten Zustand unter bestimmten Bedingungen miteinander wechselwirken und organische Moleküle bilden können. Auch das Fehlen von freiem Sauerstoff in der Atmosphäre der Urerde (praktisch der gesamte Sauerstoff der Erde war in Form von Oxiden gebunden) ist eine wichtige Voraussetzung für die Entstehung von Leben, da Sauerstoff leicht oxidiert und dabei organische Verbindungen zerstört. Daher wäre in Gegenwart von freiem Sauerstoff in der Atmosphäre die Ansammlung einer erheblichen Menge organischer Materie auf der alten Erde unmöglich gewesen.

Die Hauptstadien der chemischen Evolution.

Wenn die Temperatur der Primäratmosphäre 1000°C erreicht, beginnt darin die Synthese einfacher organischer Moleküle, wie Aminosäuren, Nukleotide, Fettsäuren, einfacher Zucker, mehrwertige Alkohole, organische Säuren usw. Die Energie für die Synthese wird von geliefert Blitzentladungen, vulkanische Aktivität, Weltraumstrahlung und schließlich die ultraviolette Strahlung der Sonne, vor der die Erde noch nicht durch den Ozonschirm geschützt ist.

Als die Temperatur der Primäratmosphäre unter 100 ° C fiel, fiel heißer Regen auf die Erde und der Primärozean erschien. Mit Regenströmen gelangten biogen synthetisierte organische Substanzen in den Primärozean, der ihn in eine verdünnte „Ursuppe“ verwandelte. Anscheinend beginnen im Primärozean die Bildungsprozesse aus einfachen organischen Molekülen - Monomeren komplexer organischer Moleküle - Biopolymeren.

Die Bildung von Biopolymeren (insbesondere Proteinen aus Aminosäuren) könnte auch in der Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 180 °C erfolgen. Darüber hinaus ist es möglich, dass auf der antiken Erde Aminosäuren in austrocknenden Reservoirs konzentriert und unter dem Einfluss von ultraviolettem Licht und der Hitze von Lavaströmen in trockener Form polymerisiert wurden.

Die Polymerisation von Nukleotiden ist einfacher als die Polymerisation von Aminosäuren. Es hat sich gezeigt, dass in Lösungen mit hoher Salzkonzentration einzelne Nukleotide spontan polymerisieren und zu Nukleinsäuren werden.

Das Leben aller modernen Lebewesen ist ein Prozess der kontinuierlichen Interaktion der wichtigsten Biopolymere einer lebenden Zelle - Proteine ​​​​und Nukleinsäuren.

Somit ist das Mysterium des Ursprungs des Lebens das Mysterium der Entstehung des Wechselwirkungsmechanismus zwischen Proteinen und Nukleinsäuren.

Wo fand die Entwicklung eines komplexen Wechselwirkungsprozesses zwischen Proteinen und Nukleinsäuren statt? Nach der Theorie von A.I. Oparin, die sogenannten Koazervat-Tropfen, wurden zur Geburtsstätte des Lebens.

Hypothese der Entstehung der Wechselwirkung von Proteinen und Nukleinsäuren:

Das Phänomen der Koazervation besteht darin, dass unter bestimmten Bedingungen (z. B. in Gegenwart von Elektrolyten) makromolekulare Substanzen von der Lösung getrennt werden, jedoch nicht in Form eines Niederschlags, sondern in Form einer konzentrierteren Lösung - Koazervat. Beim Schütteln zerfällt das Koazervat in einzelne kleine Tröpfchen. Im Wasser sind solche Tropfen mit einer Hydratationshülle bedeckt, die sie stabilisiert (eine Hülle aus Wassermolekülen) - Abb. 2.4.1.4.

Koazervat-Tropfen haben eine Art Stoffwechsel: Unter dem Einfluss rein physikalischer und chemischer Kräfte können sie bestimmte Substanzen selektiv aus der Lösung aufnehmen und ihre Zerfallsprodukte an die Umgebung abgeben. Aufgrund der selektiven Konzentration von Stoffen aus der Umwelt können sie wachsen, aber wenn sie eine bestimmte Größe erreichen, beginnen sie sich zu „vermehren“, wobei kleine Tröpfchen knospen, die wiederum wachsen und „knospen“ können.

Die koazervaten Tröpfchen, die aus der Konzentration von Proteinlösungen während des Mischens unter Einwirkung von Wellen und Wind entstehen, können mit einer Hülle aus Lipiden bedeckt sein: einer einzelnen Membran, die Seifenmizellen ähnelt (mit einer einzigen Ablösung eines Tropfens von der mit einem Lipid bedeckten Wasseroberfläche Schicht) oder eine doppelte, die einer Zellmembran ähnelt (mit wiederholtem Fallen eines Tropfens, der mit einer einschichtigen Lipidmembran bedeckt ist, auf einen Lipidfilm, der die Oberfläche eines Reservoirs bedeckt).

Die Prozesse der Entstehung koazervater Tröpfchen, deren Wachstum und „Knospung“ sowie deren „Bekleidung“ mit einer Membran aus einer doppelten Lipidschicht lassen sich im Labor leicht modellieren.

Für koazervierte Tröpfchen gibt es auch einen Prozess der "natürlichen Selektion", bei dem die stabilsten Tröpfchen in Lösung bleiben.

Trotz der äußerlichen Ähnlichkeit von Koazervat-Tropfen mit lebenden Zellen fehlt den Koazervat-Tropfen das Hauptmerkmal eines Lebewesens – die Fähigkeit zur genauen Selbstreproduktion, Selbstkopie. Offensichtlich waren die Vorläufer lebender Zellen solche Koazervattropfen, die Komplexe aus Replikatormolekülen (RNA oder DNA) und den von ihnen kodierten Proteinen enthielten. Es ist möglich, dass RNA-Protein-Komplexe lange Zeit außerhalb von Koazervat-Tröpfchen in Form des sogenannten „freilebenden Gens“ existierten oder dass ihre Bildung direkt innerhalb einiger Koazervat-Tröpfchen stattfand.

Aus historischer Sicht verlief der äußerst komplexe Prozess der Entstehung des Lebens auf der Erde, der von der modernen Wissenschaft nicht vollständig verstanden wird, äußerst schnell. Seit 3,5 Milliarden Jahren ist die sog. Die chemische Evolution endete mit dem Auftreten der ersten lebenden Zellen und die biologische Evolution begann . (URL: http://www.grandars.ru/shkola/geografiya/proishozhdenie-zhizni (Zugriffsdatum: 28.09.2014).

In den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts wurde experimentell festgestellt, dass im Laufe der chemischen Evolution diejenigen chemischen Strukturen ausgewählt wurden, die zu einer starken Steigerung der Aktivität und Selektivität von Katalysatoren beitrugen. Dies ermöglichte dem Professor der Moskauer Staatlichen Universität A.P. Rudenko 1964 die Theorie der Selbstentwicklung offener katalytischer Systeme, die zu Recht als allgemeine Theorie der Chemo- und Biogenese angesehen werden kann. Das Wesentliche dieser Theorie ist, dass die chemische Evolution eine Selbstentwicklung katalytischer Systeme ist und folglich Katalysatoren die sich entwickelnde Substanz sind.

A.P. Rudenko formulierte auch das Grundgesetz der chemischen Evolution: mit der größten Geschwindigkeit und Wahrscheinlichkeit bilden sich diejenigen Pfade evolutionärer Veränderungen des Katalysators aus, auf denen die maximale Steigerung seiner absoluten Aktivität auftritt.

Selbstentwicklung, Selbstorganisation von Systemen kann nur durch einen ständigen Energiezufluss erfolgen, dessen Quelle die Hauptquelle ist, d.h. Grundreaktion. Daraus folgt, dass sich die katalytischen Systeme auf der Basis von exotherm Reaktionen.

Zeitraum der chemischen Evolution. In den frühen Stadien der chemischen Evolution der Welt fehlte die Katalyse. Die ersten Manifestationen der Katalyse beginnen, wenn die Temperatur auf 5000 °K und darunter fällt und primäre Feststoffe gebildet werden. Es wird auch angenommen, dass, wenn der Zeitraum der chemischen Vorbereitung, d. die Periode intensiver und vielfältiger chemischer Umwandlungen wurde durch eine Periode der biologischen Evolution ersetzt, die chemische Evolution geriet gewissermaßen ins Stocken.

Angewandter Wert der Evolutionschemie. Die Evolutionschemie hilft nicht nur, den Mechanismus der Biogenese aufzudecken, sondern ermöglicht auch die Entwicklung einer neuen Kontrolle chemischer Prozesse, die die Anwendung der Prinzipien der Synthese ähnlicher Moleküle und die Schaffung neuer leistungsfähiger Katalysatoren, einschließlich Biokatalysatoren - Enzyme, und dies wiederum ist der Schlüssel zur Lösung von Problemen bei der Schaffung von abfallarmen, abfallfreien und energiesparenden Industrieprozessen.

Zurück zum Anfang des Dokuments

Theorien zur Entstehung des Lebens

Die bekanntesten Theorien über die Entstehung des Lebens auf der Erde sind die folgenden.

Kreationismus. Nach dieser Theorie wurde das Leben zu einer bestimmten Zeit von einem übernatürlichen Wesen, Gott, erschaffen. Diese Ansicht wird von Anhängern fast aller religiösen Lehren vertreten. Aber auch unter ihnen gibt es keinen einheitlichen Standpunkt zu diesem Thema, insbesondere zur Interpretation der traditionellen christlich-jüdischen Vorstellung von der Erschaffung der Welt (dem Buch Genesis). Einige verstehen die Bibel buchstäblich und glauben, dass die Welt und alle lebenden Organismen, die sie bewohnen, in sechs Tagen von 24 Stunden erschaffen wurden ( 1650 errechnete Erzbischof Ussher, indem er das Alter aller in der biblischen Genealogie erwähnten Menschen zusammenzählte, dass Gott im Oktober 4004 v. Chr. begann, die Welt zu erschaffen. und beendete seine Arbeit am 23. Dezember um 9 Uhr morgens und schuf einen Menschen. Gleichzeitig stellt sich jedoch heraus, dass Adam zu einer Zeit erschaffen wurde, als im Nahen Osten bereits eine gut entwickelte urbane Zivilisation existierte.). Andere behandeln die Bibel nicht als wissenschaftliches Buch und glauben, dass die Hauptsache darin die göttliche Offenbarung über die Erschaffung der Welt durch den allmächtigen Schöpfer in einer für die Menschen der alten Welt verständlichen Form ist. Mit anderen Worten, die Bibel beantwortet die Fragen „Wie?“ nicht. und „wann?“, beantwortet aber die Frage „warum?“. Im weiteren Sinne erlaubt der Kreationismus also sowohl die Erschaffung der Welt in ihrer fertigen Form als auch die Erschaffung einer Welt, die sich nach den Gesetzen des Schöpfers entwickelt.

Der Vorgang der göttlichen Weltschöpfung wird als einmalig und damit der Beobachtung unzugänglich gedacht. Für den Gläubigen ist die theologische (göttliche) Wahrheit jedoch absolut und bedarf keiner Beweise. Gleichzeitig ist die wissenschaftliche Wahrheit für einen echten Wissenschaftler nicht absolut, sie enthält immer ein hypothetisches Element. Damit wird der Begriff des Kreationismus automatisch aus dem Bereich der wissenschaftlichen Forschung herausgenommen, da sich die Wissenschaft nur mit jenen Phänomenen befasst, die im Forschungsverlauf beobachtet, bestätigt oder verworfen werden können (Prinzip der Falsifizierbarkeit wissenschaftlicher Theorien). Mit anderen Worten, die Wissenschaft kann den Kreationismus niemals beweisen oder widerlegen.

Spontane Generation. Nach dieser Theorie entstand und entsteht Leben immer wieder aus unbelebter Materie. Diese Theorie war im alten China, Babylon, Ägypten weit verbreitet. Aristoteles, der oft als Begründer der Biologie bezeichnet wird, hielt an der Theorie der spontanen Erzeugung des Lebens fest, der die früheren Aussagen von Empedokles über die Evolution der Lebewesen entwickelte. Er glaubte, dass "... Lebewesen nicht nur durch Paarung von Tieren entstehen können, sondern auch durch Zersetzung des Bodens.". Mit der Verbreitung des Christentums landete diese Theorie in demselben „Clip“, der von der Kirche mit Okkultismus, Magie, Astrologie verflucht wurde, obwohl sie irgendwo im Hintergrund weiter existierte, bis sie 1688 von dem italienischen Biologen und Arzt Francesco experimentell widerlegt wurde Redi. Das Prinzip „Leben entsteht nur aus Lebewesen“ hat in der Wissenschaft den Namen Redi-Prinzip erhalten. So entstand das Konzept der Biogenese, wonach Leben nur aus einem früheren Leben entstehen kann. Mitte des 19. Jahrhunderts widerlegte L. Pasteur schließlich die Theorie der spontanen Zeugung und bewies die Gültigkeit der Theorie der Biogenese.

Theorie der Panspermie. Nach dieser Theorie wurde das Leben von außen auf die Erde gebracht, daher kann sie im Wesentlichen nicht als Theorie über die Entstehung des Lebens als solche angesehen werden. Es bietet keinen Mechanismus zur Erklärung des Ursprungs des Lebens, sondern einfach erträgt das Problem des Ursprungs des Lebens irgendwo anders im Universum.

Theorie der biochemischen Evolution. Das Leben entstand unter den spezifischen Bedingungen der alten Erde als Ergebnis von Prozessen, die physikalischen und chemischen Gesetzen gehorchen.

Letztere Theorie spiegelt moderne naturwissenschaftliche Ansichten wider und wird daher näher betrachtet.

Nach den Daten der modernen Wissenschaft beträgt das Alter der Erde ungefähr 4,5 - 5 Milliarden Jahre. In ferner Vergangenheit waren die Bedingungen auf der Erde grundlegend anders als in der heutigen Zeit, was zu einem bestimmten Verlauf der chemischen Evolution führte, der eine Voraussetzung für die Entstehung des Lebens war. Mit anderen Worten, der biologischen Evolution selbst ging voraus Präbiotikum Evolution im Zusammenhang mit dem Übergang von anorganischer Materie zu organischer und dann zu elementaren Lebensformen. Dies war unter bestimmten Bedingungen möglich, die damals auf der Erde stattfanden, nämlich:

hohe Temperatur, etwa 4000 ° C, Atmosphäre bestehend aus Wasserdampf, CO 2, CH 3, NH 3, Vorhandensein von Schwefelverbindungen (vulkanische Aktivität), hohe elektrische Aktivität der Atmosphäre, ultraviolette Strahlung der Sonne, die frei den unteren Bereich erreicht Schichten der Atmosphäre und der Erdoberfläche, da sich die Ozonschicht noch nicht gebildet hat.

Einer der wichtigsten Unterschiede zwischen der Theorie der biochemischen Evolution und der Theorie der spontanen (spontanen) Zeugung sollte hervorgehoben werden, nämlich: nach dieser Theorie Leben entstand unter Bedingungen, die für moderne Lebewesen ungeeignet sind!

Zurück zum Anfang des Dokuments

Oparin-Haldane-Hypothese. 1923 tauchte Oparins berühmte Hypothese auf, die auf folgendes hinauslief: Die ersten komplexen Kohlenwasserstoffe könnten im Ozean aus einfacheren Verbindungen entstehen, sich nach und nach anreichern und zur Entstehung einer „Primärsuppe“ führen. Diese Hypothese gewann schnell das Gewicht einer Theorie. Es muss gesagt werden, dass spätere experimentelle Studien die Gültigkeit solcher Annahmen bestätigten. So synthetisierte S. Miller 1953, nachdem er die erwarteten Bedingungen der alten Erde (hohe Temperatur, ultraviolette Strahlung, elektrische Entladungen) simuliert hatte, im Labor 15 Aminosäuren, aus denen die Lebenden bestehen, einige einfache Zucker (Ribose). Später wurden einfache Nukleinsäuren synthetisiert (Ordzhel). Derzeit sind alle 20 Aminosäuren, die die Grundlage des Lebens bilden, synthetisiert.

Oparin schlug das vor Die entscheidende Rolle bei der Umwandlung von Unbelebtem in Lebendiges kommt den Proteinen zu. Proteine ​​sind in der Lage, hydrophile Komplexe zu bilden: Wassermoleküle bilden eine Hülle um sie herum. Diese Komplexe können sich von der wässrigen Phase trennen und bilden die sogenannten Koazervate (<лат. сгусток, куча) с липидной оболочкой, из которой затем могли образоваться примитивные клетки. Существенный недостаток этой гипотезы – она не опирается на современную молекулярную биологию. Это вполне объяснимо, поскольку механизм передачи наследственных признаков и роль ДНК стали известны сравнительно недавно.

(Der englische Wissenschaftler Haldane (University of Cambridge) veröffentlichte 1929 seine Hypothese, wonach das Leben auch auf der Erde durch chemische Prozesse in der kohlendioxidreichen Erdatmosphäre entstand und die ersten Lebewesen vielleicht "riesige Moleküle" waren Es werden weder hydrophile Komplexe noch Koazervate erwähnt, aber sein Name wird oft neben dem Namen Oparin erwähnt, und die Hypothese wurde Oparin-Haldane-Hypothese genannt.)

Die entscheidende Rolle bei der Entstehung des Lebens wurde später dem Auftreten des Replikationsmechanismus des DNA-Moleküls zugeschrieben. Tatsächlich ist jede beliebig komplexe Kombination von Aminosäuren und anderen komplexen organischen Verbindungen noch kein Leben. Schließlich ist die wichtigste Eigenschaft des Lebens seine Fähigkeit, sich selbst zu reproduzieren. Das Problem dabei ist, dass die DNA selbst „hilflos“ ist, sie kann funktionieren nur in Gegenwart von Enzymproteinen(z. B. ein DNA-Polymerase-Molekül, das ein DNA-Molekül „abwickelt“ und es für die Replikation vorbereitet). Es bleibt eine offene Frage, wie solch komplexe „Maschinen“ wie Pra-DNA und der für ihre Funktion notwendige komplexe Komplex von Protein-Enzymen spontan entstehen konnten.

Vor kurzem die Idee Ursprung des Lebens basierend auf RNA , d.h. Die ersten Organismen könnten RNA sein, die sich, wie Experimente zeigen, sogar im Reagenzglas entwickeln kann. Bedingungen für die Evolution solcher Organismen werden beobachtet während der Tonkristallisation . Diese Annahmen beruhen insbesondere auf der Tatsache, dass sich bei der Kristallisation von Tonen jede neue Kristallschicht entsprechend den Merkmalen der vorherigen anordnet, als ob sie von ihr Informationen über die Struktur erhält. Dies ähnelt dem Mechanismus der RNA- und DNA-Replikation. Es stellt sich also heraus, dass die chemische Evolution mit anorganischen Verbindungen begann und die ersten Biopolymere das Ergebnis autokatalytischer Reaktionen sein könnten. kleine Moleküle Tonaluminosilicate.

Zurück zum Anfang des Dokuments

Hyperzyklen und der Ursprung des Lebens. Das Konzept der Selbstorganisation kann zu einem besseren Verständnis der Entstehungs- und Evolutionsprozesse des Lebens beitragen, basierend auf der zuvor betrachteten Theorie der chemischen Evolution von Rudenko und der Hypothese des deutschen Physikochemikers M. Eigen. Nach letzterer steht der Prozess der Entstehung lebender Zellen in engem Zusammenhang mit der Wechselwirkung Nukleotide ( Nukleotide - Elemente von Nukleinsäuren - Cytosin, Guanin, Thymin, Adenin), die materielle Informationsträger sind , und Proteine ​​(Polypeptide [ 1] ) als Katalysatoren dienen chemische Reaktionen. Im Prozess der Interaktion reproduzieren sich Nukleotide unter dem Einfluss von Proteinen und übertragen Informationen an das ihnen folgende Protein, so dass es gibt geschlossener autokatalytischer Kreislauf , die M. Eigen nannte Hyperzyklus . Aus ihnen entstehen im Laufe der weiteren Evolution die ersten lebenden Zellen, zunächst nicht nuklear (Prokaryoten), dann mit Zellkern - Eukaryoten.

Hier besteht, wie wir sehen, eine logische Verbindung zwischen der Evolutionstheorie von Katalysatoren und dem Konzept einer geschlossenen autokatalytischen Kette. Im Laufe der Evolution wird das Prinzip der Autokatalyse durch das von M. Eigen vorgeschlagene Prinzip der Selbstreproduktion des gesamten zyklisch organisierten Prozesses in Hyperzyklen ergänzt. Die Vermehrung der Bestandteile von Hyperzyklen sowie deren Zusammenschluss zu neuen Hyperzyklen geht mit einer Steigerung des Stoffwechsels einher, verbunden mit der Synthese energiereicher Moleküle und der Ausscheidung energiearmer Moleküle als „Abfall“. ( Hier ist es interessant, die Eigenschaften von Viren als Zwischenform zwischen Leben und Nicht-Leben festzuhalten:ihnen wird die Fähigkeit zum Metabolisieren entzogen und sie beginnen, in die Zellen einzudringen, ihr Stoffwechselsystem zu nutzen). Laut Eigen gibt es also einen Wettbewerb von Hyperzyklen oder Zyklen chemischer Reaktionen, die zur Bildung von Proteinmolekülen führen. Die Zyklen, die schneller und effizienter arbeiten als die anderen, „gewinnen“ den Wettbewerb.

Das Konzept der Selbstorganisation ermöglicht es also, im Laufe der Evolution einen Zusammenhang zwischen belebten und unbelebten Dingen herzustellen, sodass die Entstehung des Lebens nicht als rein zufällig und als äußerst unwahrscheinliche Kombination von Bedingungen und Voraussetzungen erscheint für sein Aussehen. Darüber hinaus bereitet das Leben selbst die Bedingungen für seine weitere Evolution vor.

Zurück zum Anfang des Dokuments

Testfragen

1. Nennen Sie die Hauptstadien der Planetenentstehung nach dem Rotationsmodell. 2. Welche gemeinsamen Merkmale der Planeten des Sonnensystems weisen auf einen einzigen Ursprung der Planeten hin? 3. Erklären Sie die Fülle chemischer Elemente im Sonnensystem. 4. Wie erfolgte die Differenzierung der Materie der Erde? Erkläre den Aufbau der Erde. 5. Was ist Geochronologie?

6. In welche Teile (je nach Kenntnisstand) wird die Erdgeschichte eingeteilt? 7. Welche Elemente werden Organogene genannt und warum? 8. Welche Elemente bilden die chemische Zusammensetzung lebender Systeme? 9. Was ist Selbstorganisation? 10. Was ist die Essenz der Substrat- und Funktionsansätze zum Problem der Selbstorganisation chemischer Systeme?

11. Was ist Evolutionschemie? 12. Was lässt sich über die natürliche Selektion chemischer Elemente und ihrer Verbindungen im Laufe der chemischen Evolution sagen? 13. Was bedeutet Eigenentwicklung von katalytischen Systemen? 14. Was ist der angewandte Wert der Evolutionschemie? 15. Nennen Sie die wichtigsten Theorien zur Entstehung des Lebens.

16. Was ist Kreationismus? Kann der Kreationismus widerlegt werden? Erkläre deine Antwort. 17. Was ist der Schwachpunkt der Panspermie-Theorie? 18. Wie unterscheidet sich die Theorie der biochemischen Evolution von der Theorie der spontanen (spontanen) Entstehung des Lebens? 19. Welche Bedingungen gelten als notwendig für die Entstehung von Leben als Ergebnis der biochemischen Evolution? 20. Was ist präbiotische Evolution?

21. Was ist die Oparin-Haldane-Hypothese? 22. Was ist das Hauptproblem bei der Erklärung des Übergangs von „nicht lebendig“ zu „lebend“? 23. Was ist ein Hyperzyklus?

Literatur

1. Dubnishcheva T. Ya. Konzepte der modernen Naturwissenschaft. - Novosibirsk: YuKEA, 1997. 2. Kuznetsov V.N., Idlis G.M., Gutina V.N. Naturwissenschaft. -M.: Agar, 1996. 3. Grjadowoj D.N. Konzepte der modernen Naturwissenschaft. Aufbaukurs der naturwissenschaftlichen Grundlagen. - M.: Uchped, 1999. 4. Konzepte der modernen Naturwissenschaft / Hrsg. S.I. Samygin. - Rostov n / a: Phoenix, 1997. 5. Yablokov A.V., Yusufov A.G. evolutionäre Lehre. - M.: Höhere Schule, 1998. 6. Ruzavin G.I. Konzepte der modernen Naturwissenschaft. - M.: "Kultur und Sport", UNITI, 1997. 7. Solopov E.F. Konzepte der modernen Naturwissenschaft. – M.: Vlados, 1998.

8. Nudelman R. Kambrisches Paradoxon. - "Wissen ist Macht", August, September-Oktober 1988.

[ 1] Polypeptide sind eine lange Kette von Aminosäuren

Zurück zum Anfang des Dokuments

Die Rechte zur Verbreitung und Nutzung des Kurses liegen bei Ufa State Aviation Technical University

Die chemische Evolution ist ein Prozess irreversibler Veränderungen, die zur Entstehung neuer chemischer Verbindungen führen – Produkte, die im Vergleich zu den ursprünglichen Substanzen komplexer und hochgradig organisiert sind. Diese Prozesse wurden in den 1970er Jahren aktiv und gezielt untersucht. im Zusammenhang mit der Erforschung des Problems immer komplexer werdender chemischer Prozesse bis zu einem Niveau, das zur Entstehung lebender Materie auf der Erde beitrug. Das Interesse an diesen Prozessen geht zurück auf langjährige Versuche zu verstehen, wie aus anorganischer Materie organisches Material und dann Leben entsteht. Der erste, der die hohe Ordnung und Effizienz chemischer Prozesse in lebenden Organismen erkannte, war der Begründer der organischen Chemie Y.Ya. Berzelius (spätes 18. - frühes 19. Jahrhundert). Er stellte fest, dass die Grundlage der Laboratorien eines lebenden Organismus die Biokatalyse ist. Der katalytischen Erfahrung lebendiger Natur wurde im 20. Jahrhundert große Bedeutung beigemessen. Also, Akademiker N.N. Semenov betrachtete die chemischen Prozesse, die in den Geweben von Pflanzen und Tieren ablaufen, als eine Art "chemische Produktion" der lebenden Natur.

Betrachten wir kurz die Stufen der chemischen Evolution. Wahrscheinlich sollte man erkennen, dass es mit dem Erscheinen des einfachsten Trägers - des Atoms - begann. Nach dem Konzept des Urknalls entstanden die heute existierenden chemischen Elemente im Prozess der Evolution des Universums von einem superdichten und superheißen Zustand zur modernen Welt der Sterne und Galaxien. Es wird angenommen, dass sich die einfachsten Wasserstoffatome (oder besser gesagt ihre Kerne) als erste gebildet haben. Etwa 1 s nach dem Urknall nahm die Materiedichte auf 1 t/cm 3 ab, die Temperatur auf 100 Milliarden K und der Durchmesser auf 1500 Milliarden km. Die Substanz befand sich im Zustand eines vollständig ionisierten Plasmas, bestehend aus Nukleonen (Protonen und Neutronen) und Elektronen. Nach weiteren 10 s, als die Temperatur auf 10 Milliarden K fiel, traten Bedingungen für die Kernreaktion auf, um Deuteronen - Deuteriumkerne (schwerer Wasserstoff) - zu bilden.

Bei dieser Temperatur ist das Gleichgewicht dieser Reaktion jedoch stark nach links verschoben (es verschiebt sich erst bei einer Temperatur von 1 Milliarde K nach rechts - etwa 100 s nach dem Urknall), und Deuteronen konnten sich nicht ansammeln, da unter diesen Bedingungen verwandeln sie sich in Heliumkerne (dieses Schema ist sehr zufriedenstellend erklärt die Menge an Helium in unserem Universum). Im vorstellaren Stadium der Materieentwicklung werden die Kerne anderer chemischer Elemente nicht gebildet, da die Dichte und Temperatur des expandierenden Universums schnell sinken. In diesem Fall ist der Entstehungsprozess von 4 He (die Zahl oben links ist die relative Atommasse, also die Masse des Atoms, ausgedrückt in atomaren Masseneinheiten, die 1/12 der Masse des Kohlenstoffisotops mit eine Massenzahl von 12-1,6605655 (86) 10 "27 kg), beginnend etwa 2 Minuten nach dem Urknall, endet am Ende der 4. Minute. Wenn das Universum auf eine Temperatur von 3500 K abkühlt (nach etwa 1 Million Jahren) kommt es zur Rekombination von Heliumkernen und den restlichen Wasserstoffkernen mit Elektronen: Atome werden gebildet Helium und Wasserstoff - der Ausgangsstoff für interstellare Gas- und Sternensysteme.

Die weitere Synthese chemischer Elemente setzt sich im Inneren von Sternen fort, wenn die Temperatur ansteigt. Bei der Kondensation von interstellarem Gas bestehend aus Wasserstoff und Helium zu einem Protostern steigt infolge der Gravitationskompression die Temperatur an und die Reaktion zur Bildung von Helium aus Wasserstoff wird wieder möglich. Dieses Stadium ist durch Temperaturen gekennzeichnet, die 20 106 K nicht überschreiten.

Nach Heliumkernen sind 12 C- und 16 O-Kerne die stabilsten.Die thermonukleare Epoche der Bildung solcher Kerne (T< 100 млн К) наступает после того, как на первом этапе истощается, «выгорает» водород. В эту эпоху в плотных выгоревших ядрах звезд-гигантов возможно непосредственное образование углерода и кислорода (не атомов, а ядер). Дальнейшее слияние ядер гелия приводит к образованию 20 Ne, 24 Mg и т.п. Более поздняя ядерная эпоха, когда обеспечивается температура до 1 млрд. К, характеризуется «горением» углерода. При этом образуются ядра вплоть до 27 А1 и 28 Si. Выше 30 млрд. К в реакцию вступают более тяжелые ядра, начиная с кремния 32 Si. В условиях складывающегося при этом термодинамического равновесия синтезируются элементы вплоть до железа и атомы близких ему элементов, ядра которых являются самыми стабильными ядрами. При этом достигается минимум энергии всей системы, и более тяжелые ядра не синтезируются. Получение элементов с большими атомными номерами осуществляется по другому механизму - последовательный захват ядрами нейтронов и последующий 3-распад. В подобных процессах в качестве самого тяжелого может получиться нуклид l81 Bi. Ядра, более тяжелые, чем 181 Bi, синтезируются во время взрывов новых и сверхновых звезд в условиях огромной плотности нейтронных потоков, когда возможен захват ядрами нейтронов не по одному, а группами.

Es ist mit hoher Wahrscheinlichkeit davon auszugehen, dass sich im Sonnensystem mehrere Stadien der Kernfusion verändert haben. Ein Vergleich der chemischen Zusammensetzung der Sonne und der chemischen Zusammensetzung der Sternmaterie lässt den Schluss zu, dass alle oben beschriebenen Prozesse der Kernfusion im Sonnensystem stattgefunden haben und die Anfangsmasse des Sterns in unserem Abschnitt der Galaxis entstanden ist überschritt die kritische (entspricht 1,44 Sonnenmassen) und stellte sich als instabil heraus. Unter dem Einfluss der Gravitation zog sich der Protostern zusammen, seine Temperatur stieg und führte zu den ersten Phasen der Kernfusion. Die dabei freigesetzte Energie erwies sich als zu groß, wodurch es nach einiger Zeit zu einer Explosion kam und die Kerne der schwersten Elemente gebildet wurden. Die Masse des Sterns nahm aufgrund des Auswurfs von Materie ab. Dieser Vorgang wurde mehrmals wiederholt, bis die Masse des zentralen massiven Sterns unter der kritischen Grenze lag. Ein solcher Mechanismus stellt ein Zeitintervall bereit, das für die chemische, geologisch-geographische und biologische Evolution ausreicht.

Derzeit glauben viele Forscher, dass die Planeten des Sonnensystems aus Sonnenmaterie entstanden sind, die von der Sonne ausgestoßen wurde, als sie zu einer Supernova wurde. Die Abkühlung des scheibenförmigen Gasnebels, der sich um die Sonne bildete, ermöglichte es, Atome zu Molekülen zu verbinden, d.h. Die chemische Evolution begann.

Moleküle könnten sich bei Sterntemperaturen nicht bilden, wenn die meisten Atome in Form von mehrfach geladenen Ionen vorliegen (z. B. sind Eisenatome in der Sonnenkorona bei 1 Million K Fe 13+ -Ionen). Zweiatomige Moleküle finden sich in den Spektren nur der kältesten Sterne mit einer Oberflächentemperatur von 2000-3000 K (Oxide von Al, Mg, Ti, Zr, C, Si und einige andere zweiatomige Moleküle mit der stärksten chemischen Bindung). Gleichzeitig gibt es im interstellaren Raum eine große Anzahl von Molekülen, darunter auch recht komplexe. Es wird angenommen, dass die Zusammensetzung dieser Moleküle der Zusammensetzung der ersten Moleküle entspricht, die durch die Abkühlung von Sternmaterie entstanden sind. Es wurden auch andere Moleküle gefunden, jedoch in viel geringeren Mengen.

Als die Temperatur des protoplanetaren Nebels auf 1000-1800 K fiel, begannen sie zu kondensieren, d.h. flüssig und fest wurden, bildeten sich die feuerfeststen Stoffe, insbesondere Eisentröpfchen, und anschließend Silikate (Kieselsäuresalze).

Bei Temperaturen von 400–1000 K kondensieren andere Metalle und ihre Verbindungen mit Schwefel und Sauerstoff. Die gefrorenen Tropfen aus Silikatmaterial in Form von Chondren (kleine kugelförmige Körper) bildeten anscheinend während der anschließenden Kondensation viele Asteroiden - die Primärkörper von Chondrit-Meteoriten. Es ist anzunehmen, dass durch die Differenzierung des Primärgases unter dem Einfluss des Sonnenwindes (Ausströmen des Sonnenkoronaplasmas in den interplanetaren Raum) und des Temperaturgradienten die Atome der leichtesten Elemente an die Peripherie geschleudert wurden Das Sonnensystem und die näher an der Sonne liegenden terrestrischen Planeten entstanden durch Eindicken der eisenhaltigsten Fraktion mit der höchsten Temperatur.

Mit der Entstehung der Erde als Planet begann die Evolution der Erde die chemische Evolution zu beeinflussen. Dieser Einfluss äußerte sich (und äußert sich derzeit) in der Veränderung der Konzentrationsverteilung chemischer Elemente im Erdkörper und in seinen Schalen (in der Atmosphäre, Hydrosphäre, Kruste, Mantel, Kern) sowie in der Schaffung von Bedingungen (Temperatur , Druck) zur Bildung neuer Stoffe .

Natürlich trat auch der gegenteilige Effekt ein. Die Bildung neuer Substanzen und das Aufkommen von Möglichkeiten für neue chemische Prozesse verursachten die Bildung neuer geologischer Formationen, wie z. B. Sedimentgesteine. So laufen geologische und chemische Evolution weitgehend gemeinsam ab und beeinflussen sich gegenseitig. Die chemische Evolution hat zur Entstehung des Lebens geführt. Dies geschah aufgrund der Entwicklung nicht von Stoffen, sondern von chemischen Systemen und in ihnen ablaufenden Prozessen.

Methodik zum Studium der chemischen Evolution (Theorie)

Das Studium der chemischen Evolution wird durch die Tatsache erschwert, dass das derzeitige Wissen über die geochemischen Bedingungen der alten Erde nicht vollständig genug ist.

Daher sind neben geologischen Daten auch astronomische Daten beteiligt. Daher werden die Bedingungen auf Venus und Mars in verschiedenen Stadien ihrer Entwicklung denen auf der Erde als ähnlich angesehen.

Die wichtigsten Daten zur chemischen Evolution werden als Ergebnis von Modellversuchen gewonnen, bei denen es möglich war, komplexe organische Moleküle durch Simulation verschiedener chemischer Zusammensetzungen der Atmosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre sowie klimatischer Bedingungen zu erhalten.

Basierend auf den verfügbaren Daten wurden eine Reihe von Hypothesen über die spezifischen Mechanismen und direkten Triebkräfte der chemischen Evolution aufgestellt.

Abiogenese

Im weiteren Sinne ist die Abiogenese die Entstehung von Lebewesen aus Nicht-Lebewesen, also die Ausgangshypothese der modernen Theorie der Entstehung des Lebens. In den 1920er Jahren schlug Akademiemitglied Oparin vor, dass in Lösungen makromolekularer Verbindungen spontan Es bilden sich Zonen erhöhter Konzentration, die von der äußeren Umgebung relativ getrennt sind und mit dieser in Austausch stehen können. Er rief sie an Tropfen koazervieren, oder einfach koazerviert.

Themenübersicht

Hypothesen zur chemischen Evolution sollen folgende Aspekte erklären:

1. Die Entstehung von Bedingungen für die autokatalytische Synthese großer Volumina und einer signifikanten Vielfalt kohlenstoffhaltiger Moleküle im Weltraum oder auf der Erde, dh die Entstehung von Stoffen in abiogenen Prozessen, die für den Beginn der chemischen Evolution notwendig und ausreichend sind.
2. Die Entstehung relativ stabiler geschlossener Aggregate aus solchen Molekülen, die es ihnen ermöglichen, sich so von der Umwelt abzuschotten, dass damit ein selektiver Stoff- und Energieaustausch möglich wird, also die Entstehung bestimmter protozellulärer Strukturen.
3. Das Auftreten chemischer Informationssysteme in solchen Aggregaten, die zur Selbstveränderung und Selbstreplikation fähig sind, dh die Entstehung elementarer Einheiten des Erbcodes.
4. Das Auftreten gegenseitiger Abhängigkeiten zwischen den Eigenschaften von Proteinen und den Funktionen von Enzymen mit Informationsträgern (RNA, DNA), also die Entstehung des eigentlichen Vererbungscodes, als notwendige Bedingung bereits für die biologische Evolution.

Einen großen Beitrag zur Klärung dieser Fragen leisteten unter anderem folgende Wissenschaftler:

• Harold Urey und Stanley Miller im Jahr 1953: Entstehung einfacher Biomoleküle in einer simulierten antiken Atmosphäre.
• Sydney Fox: Mikrokügelchen aus Protenoiden.
• Thomas Check (University of Colorado) und Sidney Altman (University of Yale New Haven Connecticut) 1981: Autokatalytische RNA-Spaltung: „Ribozyme“ vereinen Katalyse und Information in einem Molekül. Sie sind in der Lage, sich aus der längeren RNA-Kette herauszuschneiden und die verbleibenden Enden wieder zusammenzufügen.
• Walter Gilbert (Harvard University of Cambridge) entwickelt 1986 die Idee einer RNA-Welt.
• Gunther von Kiedrowski (Ruhr-Universität Bochum) stellt 1986 das erste DNA-basierte selbstreplizierende System vor, ein wichtiger Beitrag zum Verständnis der Wachstumsfunktionen von selbstreplizierenden Systemen
• Manfred Eigen (Max-Planck-Institut, Fakultät für Biophysikalische Chemie, Göttingen): Evolution von Ensembles von RNA-Molekülen. Hyperzyklus.
• Julius Rebeck (Cambridge) stellt ein künstliches Molekül (Aminoadenosintriazidester) her, das sich in Chloroformlösung selbst repliziert. Kopien sind immer noch identisch mit dem Muster, daher ist eine Evolution für diese Moleküle unmöglich.
• John Corlis (Goddard Space Flight Center – NASA): Die Thermalquellen der Meere liefern die Energie und Chemikalien, die eine chemische Evolution unabhängig von der Weltraumumgebung möglich machen. Noch heute sind sie der Lebensraum für die ursprünglich in vielerlei Hinsicht entstandenen Archäobakterien (Archaea).
• Günther Wächtershäuser (ur. Gunter_Wächtershauser ) (München): Die ersten selbstreplizierenden Strukturen mit Stoffwechsel entstanden auf der Oberfläche von Pyrit. Pyrit (Eisensulfid) lieferte dafür die nötige Energie. Beim Wachsen und Wiederzerfallen von Pyritkristallen konnten diese Systeme wachsen und sich vermehren, und unterschiedliche Populationen waren unterschiedlichen Umweltbedingungen (Selektionsbedingungen) ausgesetzt.
• A. G. Cairns-Smith (University of Glasgow) und David K. Mauerzall (Rockefeller-Universität New York, New York) sehen in Tonmineralen ein System, das zunächst selbst einer chemischen Evolution unterliegt, aus der viele verschiedene, sich selbst replizierende Kristalle entstehen. . Diese Kristalle ziehen mit ihrer elektrischen Ladung organische Moleküle an und katalysieren die Synthese komplexer Biomoleküle, wobei die Informationsmenge von Kristallstrukturen zunächst als Matrix dient. Diese organischen Verbindungen werden immer komplexer, bis sie sich ohne die Hilfe von Tonmineralien vermehren können.
• Wolfgang Weigand, Mark Derr ua (Max-Planck-Institut, Fakultät für Biogeochemie, Jena) zeigten 2003, dass Eisensulfid die Synthese von Ammoniak aus molekularem Stickstoff katalysieren kann.

Ein einheitliches Modell der chemischen Evolution wurde noch nicht entwickelt, vielleicht weil die zugrunde liegenden Prinzipien noch nicht entdeckt wurden.

Vorläufe

Biomoleküle

Die präbiotische Synthese komplexer Molekülverbindungen lässt sich in drei aufeinanderfolgende Stufen einteilen:

1. Die Entstehung einfacher organischer Verbindungen (Alkohole, Säuren, Heterocyclen: Purine, Pyrimidine und Pyrrole) aus anorganischen Stoffen.
2. Synthese komplexerer organischer Verbindungen - "Biomoleküle" - Vertreter der häufigsten Metabolitenklassen, einschließlich Monomere - Struktureinheiten von Biopolymeren (Monosaccharide, Aminosäuren, Fettsäuren, Nukleotide) aus einfachen organischen Verbindungen.
3. Die Entstehung komplexer Biopolymere (Polysaccharide, Proteine, Nukleinsäuren) aus den Hauptstruktureinheiten - Monomeren.

Eine der Fragen ist die chemische Zusammensetzung des Mediums, in dem die präbiologische Synthese durchgeführt wurde, einschließlich der Frage, welche anorganischen Komponenten die Quellen verschiedener Elemente waren, aus denen verschiedene organische Verbindungen bestehen.

Mögliche anorganische Quellen von Elementen:

Alle Hypothesen gehen davon aus, dass neben Wasser und Phosphaten zu Beginn der Erdgeschichte nur reduzierte Formen in ausreichender Menge in Atmosphäre und Hydrosphäre vorkamen, die sich von den in der Neuzeit üblichen chemischen Verbindungen unterschieden Die alte Atmosphäre enthielt keinen molekularen Sauerstoff.

Zu dieser Zeit konnten ultraviolette Strahlung der Sonne, Hitze von vulkanischen Prozessen, ionisierende Strahlung von radioaktivem Zerfall und elektrische Entladungen als Energiequelle dienen, die die Synthese initiierte. Es gibt auch Theorien, in denen die Redoxprozesse zwischen vulkanischen Gasen (Reduktionsmittel) und teilweise oxidierenden Sulfidmineralien wie Pyrit (FeS 2 ) als Energiequelle dienen können, die für die Entstehung von Biomolekülen notwendig ist.

Antike Atmosphärenentwicklung

Die Entwicklung der Erdatmosphäre ist Teil der chemischen Evolution und darüber hinaus ein wichtiger Bestandteil der Klimageschichte. Heute wird sie in vier wichtige Entwicklungsstufen eingeteilt.

Ursprünglich fand die Bildung chemischer Elemente im Weltraum und das Erscheinen der Erde aus ihnen statt - vor ungefähr 4,56 Milliarden Jahren. Vermutlich hatte unser Planet schon recht früh eine Atmosphäre aus Wasserstoff (H 2) und Helium (He), die jedoch wieder ins All verloren ging. Astronomen gehen außerdem davon aus, dass aufgrund relativ hoher Temperaturen und der Auswirkungen des Sonnenwinds nur eine geringe Menge leichter chemischer Elemente (darunter Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff) auf der Erde und anderen sonnennahen Planeten verbleiben könnte. All diese Elemente, die heute den Hauptteil der Biosphäre ausmachen, wurden dieser Theorie zufolge erst nach längerer Zeit, als die Protoplaneten etwas abgekühlt waren, durch Kometeneinschläge aus weiter außen gelegenen Teilen des Sonnensystems gebracht. Während der ersten paar Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems wiederholten sich ständig Kollisionen mit Himmelskörpern, die dadurch verursachten Kollisionen zerstörten die damals gebildeten lebenden Systeme durch globale Sterilisationen. Daher konnte die Entstehung von Leben zumindest in den tiefsten Depressionen erst nach einer langen Ansammlung von Wasser beginnen.

Zeichen vulkanischer Aktivität: Schwefelablagerungen an den Rändern des Halema'uma'u-Kraters von Mauna Loa auf Hawaii

Der Vulkanausbruch ist die spektakulärste Form vulkanischer Aktivität

Mit der langsamen Abkühlung der Erde, vulkanischer Aktivität (Freisetzung von Gasen aus dem Erdinneren) und der globalen Verteilung von Materialien gefallener Kometen entstand eine zweite Erdatmosphäre. Es bestand höchstwahrscheinlich aus Wasserdampf (H 2 O bis zu 80 %), Kohlendioxid (CO 2; bis zu 20 %), Schwefelwasserstoff (bis zu 7 %), Ammoniak und Methan. Der hohe Anteil an Wasserdampf ist darauf zurückzuführen, dass die Erdoberfläche damals noch zu heiß für die Entstehung von Meeren war. Aus Wasser, Methan und Ammoniak konnten sich unter den Bedingungen einer jungen Erde zunächst kleine organische Moleküle (Säuren, Alkohole, Aminosäuren) bilden, später auch organische Polymere (Polysaccharide, Fette, Polypeptide), die in saurer Atmosphäre instabil waren .

Nachdem die Atmosphäre unter den Siedepunkt des Wassers abgekühlt war, begann eine sehr lange Regenperiode, die die Ozeane bildete. Die Sättigung anderer atmosphärischer Gase gegenüber Wasserdampf hat zugenommen. Intensive ultraviolette Strahlung verursachte die photochemische Zersetzung von Wasser, Methan und Ammoniak, was zur Ansammlung von Kohlendioxid und Stickstoff führte. Leichte Gase - Wasserstoff und Helium - wurden in den Weltraum getragen, Kohlendioxid löste sich in großen Mengen im Ozean und erhöhte den Säuregehalt des Wassers. Der pH-Wert sank auf 4. Inerter und schwerlöslicher Stickstoff N 2 reicherte sich im Laufe der Zeit an und bildete vor etwa 3,4 Milliarden Jahren den Hauptbestandteil der Atmosphäre.

Die Ausfällung von gelöstem Kohlendioxid, das mit Metallionen (Karbonaten) reagiert, und die Weiterentwicklung von Lebewesen, die Kohlendioxid aufnehmen, führten zu einer Abnahme der CO 2 -Konzentration und einem Anstieg des pH-Werts in Gewässern.

Sauerstoff O 2 spielt eine wichtige Rolle bei der weiteren Entwicklung der Atmosphäre. Es entstand mit dem Aufkommen photosynthetischer Lebewesen, vermutlich Cyanobakterien (Blaualgen) oder ähnlicher Prokaryoten. Die Aufnahme von Kohlendioxid durch sie führte zu einer weiteren Abnahme des Säuregehalts, die Sättigung der Atmosphäre mit Sauerstoff blieb immer noch recht gering. Grund dafür ist die unmittelbare Nutzung des im Ozean gelösten Sauerstoffs zur Oxidation von zweiwertigen Eisenionen und anderen oxidierbaren Verbindungen. Vor etwa zwei Milliarden Jahren endete dieser Prozess und Sauerstoff begann sich allmählich in der Atmosphäre anzusammeln.

Der hochreaktive Sauerstoff oxidiert leicht anfällige organische Biomoleküle und wird so zu einem Umweltselektionsfaktor für frühe Organismen. Nur wenige anaerobe Organismen konnten in sauerstofffreie ökologische Nischen vordringen, der andere Teil hat Enzyme (zB Katalasen) entwickelt, die Sauerstoff unschädlich machen. In einigen Mikroorganismen haben sich aus solchen Enzymen komplexe Membranenzyme entwickelt – Endoxidasen, die den vorhandenen Sauerstoff metabolisch nutzen, um die für das Wachstum ihrer eigenen Zellen notwendige Energie zu akkumulieren – die Endstufe der Oxidation in der aeroben Atmungskette. Je nach Organismus gibt es verschiedene Formen terminaler Oxidasen, zB Chinoloxidase oder Cytochrom-C-Oxidase, die sich durch kupferionen- und hämhaltige aktive Zentren unterscheiden. Dies gibt Anlass zu der Annahme, dass sie auf verschiedenen parallelen Entwicklungswegen entstanden sind. In vielen Fällen kommen verschiedene Arten von terminalen Oxidasen im selben Organismus vor. Diese Enzyme sind die letzten in einer Kette aufeinanderfolgender Enzymkomplexe, die Redoxenergie sparen, indem sie Protonen oder Natriumionen in Form eines elektrischen Transmembranpotentials übertragen. Letztere wird durch einen weiteren Enzymkomplex wieder in chemische Energie in Form von ATP umgewandelt. Die Synthese von ATP und anderen Bestandteilen der Atmungskette im evolutionären Licht ist viel älter als die finalen Oxidasen, da sie bereits bei vielen aeroben Stoffwechselprozessen (aerobe Atmung, viele Fermentationsprozesse, Methanogenese) sowie bei anoxygenen eine wichtige Rolle spielten und sauerstoffhaltige Photosynthese.

Vor einer Milliarde Jahren überschritt der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre die Marke von einem Prozent und einige Millionen Jahre später bildete sich die Ozonschicht. Der heutige Sauerstoffgehalt von 21 % wurde erst vor 350 Millionen Jahren erreicht und ist seitdem stabil geblieben.

Die Bedeutung des Wassers für die Entstehung und Erhaltung des Lebens

H 2 O ist eine chemische Verbindung, die unter normalen Bedingungen in allen drei Aggregatzuständen vorliegt.

Obwohl dies die Möglichkeit der natürlichen Bildung organischer Moleküle zeigte, werden diese Ergebnisse heute manchmal kritisiert. Beim Ursuppenexperiment wurde angenommen, dass die damalige Atmosphäre einen alkalischen Charakter hatte, was den damaligen wissenschaftlichen Vorstellungen entsprach. Heute geht man jedoch davon aus, dass die Atmosphäre schwach alkalisch oder sogar neutral ist, wobei die Frage noch nicht endgültig geklärt ist und auch lokale chemische Abweichungen der atmosphärischen Bedingungen diskutiert werden, beispielsweise in der Nähe von Vulkanen. Spätere Experimente bewiesen die Möglichkeit des Auftretens organischer Moleküle auch unter diesen Bedingungen, sogar solche, die sich in den ersten Experimenten nicht herausstellten, aber in viel geringeren Mengen. Dabei wird oft argumentiert, dass die Herkunft organischer Moleküle auf andere Weise zumindest eine zusätzliche Rolle gespielt hat. Theorien über die Herkunft organischer Stoffe in der Umgebung werden ebenfalls gegeben.

Als Argument gegen die Herkunft organischer Moleküle aus der Urbrühe wird manchmal die Tatsache angeführt, dass während des Experiments ein Racemat erhalten wird, dh eine gleiche Mischung der L- und D-Formen von Aminosäuren. Demnach muss es einen natürlichen Prozess gegeben haben, bei dem eine bestimmte Variante chiraler Moleküle bevorzugt wurde. Einige Weltraumbiologen argumentieren, dass es einfacher sei, die Herkunft organischer Verbindungen im Weltraum nachzuweisen, da ihrer Meinung nach photochemische Prozesse mit zirkular polarisierter Strahlung, etwa von Pulsaren, nur Moleküle einer bestimmten Rotation zerstören können. Tatsächlich wurden in Meteoriten gefundene chirale organische Moleküle von 9 % linkshändig dominiert. Allerdings im Jahr 2001 Alan Saghatelian zeigten, dass selbstreplizierende Peptidsysteme auch in der Lage sind, Moleküle einer bestimmten Rotation in einem racemischen Gemisch effizient zu selektieren, was den terrestrischen Ursprung von Polymeren aus bestimmten optischen Isomeren ermöglicht.

Weitere Reaktionen

Aus den im Miller-Urey-Experiment auftretenden Zwischenprodukten aus Aldehyden und Blausäure HCN können unter simulierten Erdbedingungen vor 4,5 Milliarden Jahren weitere Biomoleküle gewonnen werden. So gelang Juan Oro 1961 die Synthese von Adenin:

Aus Ribose, Adenin und Triphosphat wird Adenosintriphosphat (ATP) gebildet, das in Organismen als universeller Energieträger und Baustein (als Monophosphat) von Ribonukleinsäuren (RNA) verwendet wird.

Beteiligung von Mineralien und Gesteinen

• Kristalline Oberflächen können als Matrix für wachsende Makromoleküle dienen. Dabei können verschiedene kristalline Oberflächen bestimmte Enantiomere von Molekülen binden. L- und D-Aminosäuren lagern sich an unterschiedlichen Stellen im Calcitkristall an.
• Aaron Kachalssky (Weizmann-Institut, Israel) zeigte, dass in einer wässrigen Lösung mit Montmorillonit (einem der Tonminerale) Proteine ​​mit einer Kettenlänge von mehr als 50 Aminosäuren mit nahezu 100-prozentiger Ausbeute synthetisiert werden können.
• Metallionen können als Katalysatoren, Elektronenspender wirken oder in Biomoleküle eingebaut werden.
• Tonmineralien in wässrigen Lösungen tragen oft eine elektrische Oberflächenladung und können daher entgegengesetzt geladene organische Moleküle anziehen und halten.
• Moleküle organischer Verbindungen in Mikrohohlräumen von Gesteinen werden vor UV-Strahlung geschützt.

Wächterhäusers Theorie

Eine besonders intensive Form des Beitrags von Mineralien und Gesteinen zur präbiotischen Synthese organischer Moleküle muss an der Oberfläche von Eisensulfidmineralien stattfinden. Die Miller-Urey-Theorie weist erhebliche Einschränkungen auf, insbesondere angesichts der fehlerhaften Erklärung für die Polymerisation der monomeren Bestandteile eines Biomoleküls.

Noch heute existieren anaerobe Bakterien, deren Stoffwechsel unter Beteiligung von Eisen und Schwefel erfolgt.

Verwachsung von Eisensulfidkristallen FeS 2

Ein alternatives Szenario wurde seit Anfang der 1980er Jahre von Günther Wächterhäuser entwickelt. Nach dieser Theorie entstand das Leben auf der Erde an der Oberfläche von Eisen-Schwefel-Mineralen, also Sulfiden, die noch heute durch geologische Prozesse entstehen und auf der jungen Erde viel häufiger gewesen sein sollen. Diese Theorie legt im Gegensatz zur RNA-Welthypothese nahe, dass der Stoffwechsel dem Auftreten von Enzymen und Genen vorausging. Als geeigneter Ort werden schwarze Raucher am Grund der Ozeane vorgeschlagen, wo hoher Druck, hohe Temperatur, kein Sauerstoff und verschiedene Verbindungen reichlich vorhanden sind, die als Baumaterial der „Ziegel des Lebens“ oder als Katalysator dienen könnten eine Kette chemischer Reaktionen. Der große Vorteil dieses Konzepts gegenüber seinen Vorgängern besteht darin, dass die Bildung komplexer Biomoleküle erstmals mit einer konstant zuverlässigen Energiequelle verbunden ist. Bei der Reduktion von teiloxidierten Eisen-Schwefel-Mineralien, wie zB Pyrit (FeS 2 ), mit Wasserstoff wird Energie frei (Reaktionsgleichung: FeS 2 + H 2 FeS + H 2 S), die für die endotherme Synthese ausreicht monomere Strukturelemente von Biomolekülen und ihre Polymerisation:

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

Auch andere Metalle wie Eisen bilden unlösliche Sulfide. Darüber hinaus haben Pyrit und andere Eisen-Schwefel-Minerale eine positiv geladene Oberfläche, auf der sich überwiegend negativ geladene Biomoleküle (organische Säuren, Phosphorsäureester, Thiole) anordnen, anreichern und miteinander reagieren können. Die dazu notwendigen Stoffe (Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid und Eisensalze) fallen aus der Lösung auf die Oberfläche dieser „Eisen-Schwefel-Welt“. Wächterhäuser greift für seine Theorie auf die bestehenden grundlegenden Mechanismen des Stoffwechsels zurück und leitet daraus ein geschlossenes Szenario zur Synthese komplexer organischer Moleküle (organische Säuren, Aminosäuren, Zucker, stickstoffhaltige Basen, Fette) aus einfachen anorganischen Verbindungen aus vulkanischen Gasen (NH 3, H2, CO, CO2, CH4, H2S).

Im Gegensatz zum Miller-Urey-Experiment sind keine Energiequellen von außen in Form von Blitzen oder ultravioletter Strahlung beteiligt; außerdem laufen die ersten Synthesestufen bei hohen Temperaturen und Drücken viel schneller ab (z. B. durch Enzyme katalysierte chemische Reaktionen). Bei Temperaturen von Unterwasservulkanen bis zu 350 °C ist die Entstehung von Leben durchaus denkbar. Erst später, mit dem Aufkommen hochtemperaturempfindlicher Katalysatoren (Vitamine, Proteine), hätte die Evolution bei niedrigerer Temperatur stattfinden sollen.

Das Wächterhäuser-Szenario passt gut zu den Bedingungen von Hydrothermalquellen in der Tiefsee, da dort die Temperaturdifferenz eine ähnliche Verteilung der Reaktionen erlaubt. Die ältesten lebenden Mikroorganismen sind die hitzebeständigsten, das als Grenze bekannte Temperaturmaximum für ihr Wachstum liegt bei +122 °C. Darüber hinaus sind aktive Eisen-Schwefel-Zentren immer noch an biochemischen Prozessen beteiligt, was auf die primäre Beteiligung von Fe-S-Mineralen an der Entwicklung des Lebens hindeuten kann.

Bildung von Makromolekülen

Biomakromoleküle sind Proteine ​​und Nukleinsäuren. Der Aufbau von Molekülketten (Polymerisation) erfordert Energie und erfolgt unter Freisetzung von Wasser (Kondensation). Bei der Spaltung von Makromolekülen (Hydrolyse) wird Energie freigesetzt. Da das chemische Gleichgewicht so stark in Richtung der Monomere verschoben wird, dass die Reaktion thermodynamisch irreversibel in Richtung Hydrolyse von Polymeren verläuft, ist die Synthese von Polymeren ohne ständige Energiezufuhr nicht möglich. Auch mit der theoretischen Unterstützung durch Verdunstung von Wasser, Zugabe von Salzen (Bindewasser) oder Abbau von Produkten wird das Gleichgewicht nur geringfügig verschoben. Daher ist die Entstehung von Leben sehr wahrscheinlich mit einer zuverlässigen Energiequelle verbunden, die für die Polymerisation verwendet würde.

[Monomere] n + H 2 O n Monomere + Hitze,

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

ATP wird am häufigsten als Energiequelle in der Biochemie verwendet, für deren Bildung bereits vorhandene Enzyme benötigt werden. Unter den Bedingungen einer jungen Erde ist es möglich, Energie für die Synthese von Polymeren durch die hydrolytische Spaltung von Polyphosphaten zu liefern, die heute von einigen Enzymen anstelle der ATP-Spaltung verwendet wird. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass Polyphosphate in der erforderlichen Menge vorhanden waren, da sie sich beim Verdampfen von phosphathaltigen Lösungen spontan bilden, aber auch relativ schnell hydrolysieren und sich in Wasser auflösen konnten. Ähnliche Prozesse könnten an der Küste bei regelmäßiger Ebbe und Flut ablaufen. Allerdings würden in diesem Fall alle wasserabhängigen Prozesse ständig unterbrochen, was die Synthese komplexer Verbindungen zu sehr verlangsamen würde. Daher wenden wir uns einem völlig anderen System zu, in dem sowohl die Synthese monomerer Komponenten als auch die Bildung von Polymeren in Abhängigkeit von einer konstanten Energiequelle stattfinden - anaerobe Redoxreaktionen mit Metallsulfiden.

Durch Erhöhung der Monomerkonzentration und Dehydratisierung der Reaktionsprodukte wird das Gleichgewicht der Polymersynthese in Richtung Polymerbildung verschoben. Voraussetzung dafür ist die Beschränkung des Reaktionsmediums, das nur einen begrenzten Stoffaustausch mit der äußeren Umgebung hat. Es wurde traditionell angenommen, dass solche Prozesse in kleinen Teichen mit hoher Verdunstung stattfinden, was auf den Arbeiten von C. Darwin basiert. Heute gelten vulkanische Regionen der Ozeane mit aus Hydrothermalquellen abgelagerten Metallsulfiden als durchaus geeigneter Ort für die Entwicklung eines solchen Szenarios.

Andere Lösungen des Problems haben starke Einschränkungen und sind schwer mit den Bedingungen der frühen Erde zu vergleichen. Vorteilhafterweise ist für einen oder mehrere Schritte der Ausschluss von Wasser erforderlich, was im Labor sehr einfach zu bewerkstelligen ist, jedoch zum betrachteten Zeitpunkt auf der Erde nicht. Ein solches System ist die Polymerisation von Carbamiden (R-N=C=N-R) oder Cyanogen (N≡C-C≡N) in einem wasserfreien Medium. In diesem Fall verläuft die Kondensation der Ausgangskomponenten parallel zur Reaktion von Harnstoff, bei der die notwendige Energie freigesetzt wird:

Energie + + + H 2 O (H-X-OH = Monomer wie Aminosäure oder Ribose)

H 2 O + Energie (wenn R = H Harnstoff auftritt)

Mit ultravioletter Strahlung entsteht aus Blausäure Cyanid, doch in einem austrocknenden Moor würde das flüchtige Molekül schnell verdunsten. Wird ein trockenes Aminosäurengemisch mehrere Stunden auf 130 °C erhitzt, entstehen proteinähnliche Makromoleküle. Bei Anwesenheit von Polyphosphaten sind 60 °C ausreichend. Diese Zustände können entstehen, wenn Wasser mit gelösten Aminosäuren mit heißer Vulkanasche in Kontakt kommt.

Erhitzt man das Nukleotidgemisch in Gegenwart von Polyphosphaten auf 55 °C, so treten zwar Polynukleotide auf, die Verbindung ist aber dennoch eher auf die 5'- und 2'-C-Atome der Ribose zurückzuführen, da sie leichter abläuft als in allen Organismen vorhandene 5'-3'-Bindungen. Aus beiden Arten von Polynukleotiden werden Doppelketten gebildet (vergleiche mit der Struktur der DNA). Natürlich sind 5'-3'-Doppelketten stabiler als 5'-2'.

Wenn am 2'-Kohlenstoffatom der Ribose keine Hydroxylgruppe vorhanden ist, wird Desoxoribose erhalten. Nun können sich die typischen DNA-Bindungen 5'-3' bilden.

Bildung präbiotischer Strukturen (Zellvorläufer)

Zellen unterstützen ihre Funktionen, indem sie begrenzte Reaktionsumgebungen bereitstellen, um Stoffwechselvorgänge voneinander zu trennen und unerwünschte Reaktionen auszuschließen. Gleichzeitig können Konzentrationsunterschiede entstehen.

koazerviert

Es ist bekannt, dass viele organische Verbindungen, deren Moleküle sowohl hydrophile als auch hydrophobe Stellen enthalten, mit zunehmender Konzentration in wässrigen Lösungen zur Mizellenbildung, dh zur Freisetzung von Mikrotröpfchen der organischen Phase, befähigt sind. Eine Micellbildung wird auch beim Aussalzen beobachtet, dh bei einer Erhöhung der Salzkonzentration in kolloidalen Lösungen von Biopolymer-Polyelektrolyten, während Mikrotröpfchen mit einem Durchmesser von 1–500 μm freigesetzt werden, die hohe Konzentrationen an Biopolymeren enthalten.