Teori evolusi kimia (evolusi prebiotik, teori abiogenesis) adalah tahap pertama dalam evolusi kehidupan, di mana zat organik, prebiotik muncul dari molekul anorganik di bawah pengaruh energi eksternal dan faktor seleksi dan karena penyebaran proses pengorganisasian diri yang melekat dalam semua sistem yang relatif kompleks, yang tidak diragukan lagi semua molekul yang mengandung karbon. Juga, istilah-istilah ini menunjukkan teori kemunculan dan perkembangan molekul-molekul yang sangat penting bagi kemunculan dan perkembangan materi hidup.
Kehidupan di Alam Semesta kita disajikan dalam satu-satunya cara yang mungkin: sebagai "cara keberadaan badan protein", layak karena kombinasi unik dari sifat polimerisasi karbon dan sifat depolarisasi dari media cair fase cair, sebagaimana diperlukan bersama dan kondisi yang cukup untuk kemunculan dan perkembangan semua bentuk kehidupan yang kita kenal. Ini menyiratkan bahwa, setidaknya dalam satu biosfer yang terbentuk, hanya ada satu kode hereditas yang umum untuk semua makhluk hidup dari biota tertentu, tetapi pertanyaannya tetap terbuka apakah ada biosfer lain di luar Bumi dan apakah varian lain dari perangkat genetik mungkin.

Riset

Studi tentang evolusi kimia diperumit oleh fakta bahwa saat ini pengetahuan tentang kondisi geokimia Bumi purba tidak cukup lengkap. Oleh karena itu, selain data geologi, data astronomi juga dilibatkan. Dengan demikian, kondisi di Venus dan Mars dianggap sedekat mungkin dengan yang ada di Bumi pada berbagai tahap evolusinya. Data utama tentang evolusi kimia diperoleh sebagai hasil percobaan model, di mana dimungkinkan untuk memperoleh molekul organik kompleks dengan mensimulasikan berbagai komposisi kimia atmosfer, hidrosfer dan litosfer serta kondisi iklim. Berdasarkan data yang tersedia, sejumlah hipotesis telah diajukan tentang mekanisme spesifik dan kekuatan pendorong langsung dari evolusi kimia.

Abiogenesis

Dalam arti luas abiogenesis- munculnya yang hidup dari yang mati, yaitu hipotesis awal teori modern tentang asal usul kehidupan. Pada 1920-an, akademisi Alexander Oparin menyarankan bahwa dalam larutan senyawa makromolekul, zona peningkatan konsentrasi dapat terbentuk secara spontan, yang relatif terpisah dari lingkungan eksternal dan dapat mempertahankan pertukaran dengannya. Dia menyebutnya coacervate drop, atau hanya coacervate.

Pada tahun 1953, Stanley Miller secara eksperimental melakukan sintesis abiogenik asam amino dan zat organik lainnya dalam kondisi yang mereproduksi kondisi Bumi primitif. Ada juga teori hypercycles, yang menurutnya manifestasi pertama kehidupan, masing-masing, dalam bentuk hypercycles - kompleks reaksi katalitik kompleks, produk keluaran yang merupakan katalis untuk reaksi selanjutnya.
Pada tahun 2008, ahli biologi Amerika mengambil langkah penting untuk memahami tahap awal asal usul kehidupan. Mereka berhasil menciptakan "sel proto" dengan cangkang lipid sederhana dan asam lemak, yang mampu menarik nukleotida aktif dari lingkungan - "blok pembangun" yang diperlukan untuk sintesis DNA.

Aspek dari

Hipotesis evolusi kimia harus menjelaskan berbagai aspek:
1. Awal non-biologis dari biomolekul, yaitu perkembangannya dari yang tidak hidup dan, karenanya, prekursor anorganik.
2. Munculnya sistem informasi kimia yang mampu mereplikasi diri dan mengubah diri, yaitu munculnya sel.
3. Munculnya saling ketergantungan fungsi (enzim) dan informasi (RNA, DNA).
4. Kondisi lingkungan bumi pada periode 4,5 hingga 3,5 miliar tahun yang lalu.

Sebuah model terpadu evolusi kimia belum dikembangkan, mungkin karena prinsip-prinsip yang mendasarinya belum ditemukan.

pemikiran

Biomolekul
Sintesis prebiotik senyawa kompleks molekul dapat dibagi menjadi tiga tahap berturut-turut:
1. Munculnya senyawa organik sederhana (alkohol, asam, senyawa heterosiklik: purin, pirimidin dan pirol) dari bahan anorganik.
2. Sintesis senyawa organik yang lebih kompleks - "biomolekul" - perwakilan dari kelas metabolit yang paling umum, termasuk monomer - unit struktural biopolimer (monosakarida, asam amino, asam lemak, nukleotida) dari senyawa organik sederhana.
3. Munculnya biopolimer kompleks (polisakarida, protein, asam nukleat) dari unit struktural utama - monomer.

Pengembangan Suasana Kuno
Perkembangan atmosfer bumi adalah bagian dari evolusi kimia dan, terlebih lagi, merupakan elemen penting dalam sejarah iklim. Hari ini dibagi menjadi empat tahap penting perkembangan.

Pada awalnya, pembentukan unsur-unsur kimia di ruang angkasa dan munculnya bumi dari mereka terjadi - sekitar 4,56 miliar tahun yang lalu. Agaknya, planet kita sudah cukup awal memiliki atmosfer hidrogen dan helium, yang, bagaimanapun, secara bertahap bocor ke luar angkasa. Para astronom juga berasumsi bahwa karena suhu yang relatif tinggi dan efek angin matahari, sejumlah kecil elemen kimia ringan (termasuk karbon, nitrogen, dan oksigen) dapat tetap berada di Bumi dan di planet lain di dekat Matahari. Semua elemen ini, yang saat ini merupakan bagian utama biosfer, dibawa oleh tumbukan komet dari bagian luar tata surya hanya setelah jangka waktu yang lama, ketika protoplanet sedikit mendingin. Selama beberapa juta tahun pertama setelah munculnya tata surya, tumbukan dengan benda langit terus berulang, dan tumbukan yang disebabkan olehnya menghancurkan sistem kehidupan yang terbentuk pada waktu itu. Karena itu, munculnya kehidupan hanya dapat dimulai setelah akumulasi air untuk waktu yang lama, setidaknya di depresi terdalam.
Dengan pendinginan bumi yang lambat, aktivitas vulkanik (pelepasan gas dari perut bumi) dan distribusi material secara global dari komet yang jatuh, atmosfer bumi kedua muncul. Kemungkinan besar, itu terdiri dari uap air (H2O hingga 80%), karbon dioksida (CO2 hingga 20%), hidrogen sulfida (hingga 7%), amonia dan metana. Tingginya persentase uap air ini disebabkan oleh kenyataan bahwa permukaan bumi pada waktu itu masih terlalu panas untuk pembentukan laut. Pertama-tama, molekul organik kecil (asam, alkohol, asam amino) dapat terbentuk dari air, metana, dan amonia di bawah kondisi bumi muda, kemudian - polimer organik (polisakarida, lemak, polipeptida), yang tidak stabil dalam suasana asam .
Setelah atmosfer mendingin hingga suhu di bawah titik didih air, hujan yang sangat lama datang, yang membentuk lautan. Saturasi gas atmosfer lainnya relatif terhadap uap air telah meningkat. Iradiasi ultraviolet yang tinggi menyebabkan dekomposisi fotokimia air, metana dan amonia, menghasilkan akumulasi karbon dioksida dan nitrogen. Gas ringan - hidrogen dan helium - terbawa ke luar angkasa, karbon dioksida terlarut dalam jumlah besar di lautan, mengoksidasi air. Nilai pH turun menjadi 4. Nitrogen N2 yang lembam dan sedikit larut terakumulasi dari waktu ke waktu dan membentuk komponen utama atmosfer sekitar 3,4 miliar tahun yang lalu.
Pengendapan karbon dioksida terlarut (karbonat) yang bereaksi dengan ion logam dan perkembangan lebih lanjut makhluk hidup yang mengasimilasi karbon dioksida menyebabkan penurunan konsentrasi CO2 dan peningkatan nilai pH di badan air.
Oksigen O2 memainkan peran penting dalam perkembangan lebih lanjut dari atmosfer. Itu terbentuk dengan munculnya makhluk hidup fotosintesis, mungkin cyanobacteria (ganggang biru-hijau) atau prokariota serupa. Asimilasi karbon dioksida mereka menyebabkan penurunan keasaman lebih lanjut, tetapi saturasi oksigen di atmosfer tetap agak rendah. Alasan untuk ini adalah penggunaan langsung oksigen terlarut di laut untuk oksidasi ion besi divalen dan senyawa teroksidasi lainnya. Sekitar dua miliar tahun yang lalu, proses ini berakhir, dan oksigen mulai menumpuk secara bertahap di atmosfer.
Oksigen yang sangat reaktif dengan mudah mengoksidasi biomolekul organik yang rentan dan dengan demikian menjadi faktor seleksi lingkungan untuk organisme awal. Hanya beberapa organisme anaerob yang mampu pindah ke ruang hidup bebas oksigen, bagian lain mengembangkan enzim yang membuat oksigen tidak berbahaya.
Satu miliar tahun yang lalu, kandungan oksigen di atmosfer melewati batas satu persen dan beberapa juta tahun kemudian lapisan ozon terbentuk. Kandungan oksigen saat ini sebesar 21% hanya dicapai 350 juta tahun yang lalu dan tetap stabil sejak saat itu.

Pentingnya air bagi asal usul kehidupan
H2O adalah senyawa kimia yang ada dalam kondisi normal di ketiga keadaan agregasi.
Kehidupan seperti yang kita kenal (atau definisikan) membutuhkan air sebagai pelarut universal. Air memiliki seperangkat kualitas yang memungkinkan kehidupan. Tidak ada bukti bahwa kehidupan dapat muncul dan ada secara independen dari air, dan secara umum diterima bahwa hanya keberadaan air dalam fase cair (di area tertentu atau di planet tertentu) yang memungkinkan kehidupan muncul di sana.

Ilustrasi

Beras. 1-2. Gunung berapi darat dan laut dalam - kemungkinan prasyarat untuk munculnya kehidupan di Bumi

Kesatuan asal usul kehidupan di Bumi dan penyebab heterogenitas dan keanekaragaman makhluk hidup

Dilakukan:

mahasiswa tentunya

Fakultas Geografi

gr. BI - 11

Frolova Alla Alexandrovna

Ulyanovsk, 2014

Bab I. Kesatuan asal. 3

1. 1. Evolusi prabiologis (kimiawi). 3

1. 2. Tahapan utama evolusi kimia. 3

Bab II. Penyebab heterogenitas dan keragaman. 7

Buku Bekas. sepuluh

Bab I. Kesatuan asal.

Evolusi prabiologis (kimia).

Menurut sebagian besar ilmuwan (terutama astronom dan ahli geologi), Bumi terbentuk sebagai benda angkasa sekitar 5 miliar tahun yang lalu. oleh kondensasi partikel gas dan awan debu yang berputar mengelilingi Matahari.

Sifat reduksi atmosfer utama Bumi sangat penting untuk asal usul kehidupan, karena zat dalam keadaan tereduksi dalam kondisi tertentu dapat berinteraksi satu sama lain, membentuk molekul organik. Tidak adanya oksigen bebas di atmosfer bumi primer (hampir semua oksigen bumi terikat dalam bentuk oksida) juga merupakan prasyarat penting bagi munculnya kehidupan, karena oksigen mudah teroksidasi dan dengan demikian menghancurkan senyawa organik. Oleh karena itu, dengan adanya oksigen bebas di atmosfer, akumulasi sejumlah besar bahan organik di Bumi purba tidak mungkin terjadi.

Tahap utama evolusi kimia.

Ketika suhu atmosfer primer mencapai 1000 ° C, sintesis molekul organik sederhana dimulai di dalamnya, seperti asam amino, nukleotida, asam lemak, gula sederhana, alkohol polihidrat, asam organik, dll. Energi untuk sintesis disuplai oleh pelepasan petir, aktivitas gunung berapi, radiasi ruang angkasa dan, akhirnya, radiasi ultraviolet Matahari, yang darinya Bumi belum dilindungi oleh lapisan ozon.

Ketika suhu atmosfer primer turun di bawah 100 ° C, hujan panas turun di Bumi dan lautan primer muncul. Dengan aliran hujan, zat organik yang disintesis secara abiogenik memasuki lautan primer, yang mengubahnya menjadi "sup primer" encer. Rupanya, di lautan primerlah proses pembentukan dari molekul organik sederhana - monomer molekul organik kompleks - biopolimer dimulai.

Pembentukan biopolimer (khususnya, protein dari asam amino) juga dapat terjadi di atmosfer pada suhu sekitar 180°C. Selain itu, ada kemungkinan bahwa di Bumi purba, asam amino terkonsentrasi di reservoir yang mengering dan dipolimerisasi dalam bentuk kering di bawah pengaruh sinar ultraviolet dan panas aliran lava.

Polimerisasi nukleotida lebih mudah daripada polimerisasi asam amino. Telah ditunjukkan bahwa dalam larutan dengan konsentrasi garam tinggi, nukleotida individu secara spontan berpolimerisasi, berubah menjadi asam nukleat.

Kehidupan semua makhluk hidup modern adalah proses interaksi berkelanjutan dari biopolimer paling penting dari sel hidup - protein dan asam nukleat.

Jadi, misteri asal usul kehidupan adalah misteri munculnya mekanisme interaksi antara protein dan asam nukleat.

Di mana perkembangan proses interaksi yang kompleks antara protein dan asam nukleat berlangsung? Menurut teori A.I. Oparin, yang disebut tetes coacervate menjadi tempat kelahiran kehidupan.

Hipotesis munculnya interaksi protein dan asam nukleat:

Fenomena koaservasi adalah bahwa dalam kondisi tertentu (misalnya, dengan adanya elektrolit), zat makromolekul dipisahkan dari larutan, tetapi tidak dalam bentuk endapan, tetapi dalam bentuk larutan yang lebih pekat - koaservat. Ketika dikocok, coacervate pecah menjadi tetesan kecil yang terpisah. Dalam air, tetesan seperti itu ditutupi dengan cangkang hidrasi yang menstabilkannya (kulit molekul air) - gbr. 2.4.1.4.

Tetes coacervate memiliki beberapa kemiripan metabolisme: di bawah pengaruh kekuatan fisik dan kimia murni, mereka dapat secara selektif menyerap zat tertentu dari larutan dan melepaskan produk peluruhannya ke lingkungan. Karena konsentrasi selektif zat dari lingkungan, mereka dapat tumbuh, tetapi ketika mereka mencapai ukuran tertentu, mereka mulai "berkembang biak", menumbuhkan tetesan kecil, yang, pada gilirannya, dapat tumbuh dan "bertunas".

Tetesan coacervate yang dihasilkan dari konsentrasi larutan protein dalam proses pencampuran di bawah aksi gelombang dan angin dapat ditutupi dengan cangkang lipid: membran tunggal yang menyerupai misel sabun (dengan satu detasemen setetes dari permukaan air yang tertutup dengan lapisan lipid), atau ganda yang menyerupai membran sel (dengan jatuh berulang kali dari setetes ditutupi dengan membran lipid satu lapis ke film lipid yang menutupi permukaan reservoir).

Proses munculnya tetesan coacervate, pertumbuhannya dan "tunas", serta "menutupi" mereka dengan membran dari lapisan lipid ganda dengan mudah dimodelkan di laboratorium.

Untuk tetesan coacervate, ada juga proses "seleksi alam" di mana tetesan paling stabil tetap berada dalam larutan.

Terlepas dari kemiripan luar dari coacervate drop ke sel hidup, coacervate drop tidak memiliki tanda utama dari makhluk hidup - kemampuan untuk reproduksi diri yang akurat, penyalinan diri. Jelas, prekursor sel hidup adalah tetes coacervate seperti itu, yang mencakup kompleks molekul replikator (RNA atau DNA) dan protein yang mereka kodekan. Ada kemungkinan bahwa kompleks RNA-protein ada untuk waktu yang lama di luar tetesan coacervate dalam bentuk yang disebut "gen hidup bebas", atau ada kemungkinan bahwa pembentukannya terjadi langsung di dalam beberapa tetesan coacervate.

Dari sudut pandang sejarah, proses yang sangat kompleks dari asal usul kehidupan di Bumi, yang tidak sepenuhnya dipahami oleh sains modern, berlalu dengan sangat cepat. Selama 3,5 miliar tahun, yang disebut. evolusi kimia berakhir dengan munculnya sel-sel hidup pertama dan evolusi biologis dimulai . (URL: http://www.grandars.ru/shkola/geografiya/proishozhdenie-zhizni (tanggal akses: 28.09.2014).

Pada tahun 60-an abad ke-20, secara eksperimental ditetapkan bahwa selama evolusi kimia, struktur kimia tersebut dipilih yang berkontribusi pada peningkatan tajam dalam aktivitas dan selektivitas katalis. Ini memungkinkan profesor Universitas Negeri Moskow A.P. Rudenko pada tahun 1964 teori pengembangan diri sistem katalitik terbuka, yang dapat dianggap sebagai teori umum kemo- dan biogenesis. Inti dari teori ini adalah bahwa evolusi kimia adalah pengembangan diri dari sistem katalitik, dan, akibatnya, katalis adalah zat yang berkembang.

A.P. Rudenko juga merumuskan hukum dasar evolusi kimia: dengan kecepatan dan kemungkinan terbesar, jalur perubahan evolusioner katalis terbentuk, di mana peningkatan maksimum dalam aktivitas absolutnya terjadi.

Pengembangan diri, pengorganisasian diri sistem hanya dapat terjadi karena aliran energi yang konstan, yang sumbernya utama, mis. reaksi dasar. Oleh karena itu, sistem katalitik berkembang atas dasar eksotermis reaksi.

Periode waktu evolusi kimia. Pada tahap awal evolusi kimia dunia, katalisis tidak ada. Manifestasi pertama katalisis dimulai ketika suhu turun hingga 5000 ° K dan di bawahnya dan padatan primer terbentuk. Juga diyakini bahwa ketika periode persiapan kimia, i. periode transformasi kimia yang intens dan bervariasi digantikan oleh periode evolusi biologis, evolusi kimia, seolah-olah, membeku.

Nilai terapan kimia evolusioner. Kimia evolusioner tidak hanya membantu mengungkap mekanisme biogenesis, tetapi juga memungkinkan Anda mengembangkan kontrol baru proses kimia, yang melibatkan penerapan prinsip-prinsip sintesis molekul serupa dan penciptaan katalis baru yang kuat, termasuk biokatalis - enzim, dan ini, pada gilirannya, adalah kunci untuk memecahkan masalah dalam menciptakan proses industri yang rendah limbah, tanpa limbah, dan hemat energi.

Kembali ke atas dokumen

Teori asal usul kehidupan

Teori yang paling terkenal tentang asal usul kehidupan di Bumi adalah sebagai berikut.

kreasionisme. Menurut teori ini, kehidupan diciptakan oleh makhluk gaib, Tuhan, pada waktu tertentu. Pandangan ini dianut oleh hampir semua penganut ajaran agama. Namun, bahkan di antara mereka tidak ada sudut pandang tunggal tentang masalah ini, khususnya, tentang interpretasi ide tradisional Kristen-Yahudi tentang penciptaan dunia (Kitab Kejadian). Beberapa benar-benar memahami Alkitab dan percaya bahwa dunia dan semua organisme hidup yang menghuninya diciptakan dalam enam hari yang berlangsung 24 jam ( pada tahun 1650, Uskup Agung Ussher, menambahkan usia semua orang yang disebutkan dalam silsilah alkitabiah, menghitung bahwa Tuhan mulai menciptakan dunia pada Oktober 4004 SM. dan menyelesaikan pekerjaannya pada tanggal 23 Desember jam 9 pagi, menciptakan seorang pria. Namun, pada saat yang sama, ternyata Adam diciptakan pada saat peradaban perkotaan yang berkembang baik sudah ada di Timur Tengah.). Yang lain tidak memperlakukan Alkitab sebagai buku ilmiah dan percaya bahwa hal utama di dalamnya adalah wahyu ilahi tentang penciptaan dunia oleh Pencipta yang mahakuasa dalam bentuk yang dapat dipahami oleh orang-orang di dunia kuno. Dengan kata lain, Alkitab tidak menjawab pertanyaan "bagaimana?" dan “kapan?”, tetapi menjawab pertanyaan “mengapa?”. Dalam arti luas, kreasionisme dengan demikian memungkinkan penciptaan dunia dalam bentuknya yang sudah jadi dan penciptaan dunia yang berkembang menurut hukum yang ditetapkan oleh Sang Pencipta.

Proses penciptaan ilahi atas dunia dianggap terjadi hanya sekali dan karena itu tidak dapat diakses untuk diamati. Namun, bagi orang beriman, kebenaran teologis (ilahi) itu mutlak dan tidak memerlukan pembuktian. Pada saat yang sama, bagi seorang ilmuwan sejati, kebenaran ilmiah tidak mutlak, selalu mengandung unsur hipotesis. Dengan demikian, konsep kreasionisme secara otomatis dikeluarkan dari ruang lingkup penelitian ilmiah, karena sains hanya berurusan dengan fenomena-fenomena yang dapat diamati, dapat dikonfirmasi atau ditolak selama penelitian (prinsip falsifiabilitas teori-teori ilmiah). Dengan kata lain, sains tidak pernah bisa membuktikan atau menyangkal kreasionisme.

Generasi spontan. Menurut teori ini, kehidupan muncul dan muncul berulang kali dari benda mati. Teori ini tersebar luas di Tiongkok kuno, Babilonia, Mesir. Aristoteles, yang sering disebut sebagai pendiri biologi, yang mengembangkan pernyataan Empedocles sebelumnya tentang evolusi makhluk hidup, menganut teori generasi kehidupan spontan. Dia percaya bahwa "... makhluk hidup dapat muncul tidak hanya dengan hewan kawin, tetapi juga dengan dekomposisi tanah.". Dengan penyebaran agama Kristen, teori ini berakhir di "klip" yang sama yang dikutuk oleh gereja dengan okultisme, sihir, astrologi, meskipun teori ini terus ada di suatu tempat di latar belakang sampai dibantah secara eksperimental pada tahun 1688 oleh ahli biologi dan dokter Italia Francesco redi. Prinsip "Hidup hanya muncul dari makhluk hidup" telah menerima dalam sains nama Prinsip Redi. Inilah bagaimana konsep biogenesis berkembang, yang menurutnya kehidupan hanya dapat muncul dari kehidupan sebelumnya. Pada pertengahan abad ke-19, L. Pasteur akhirnya menyanggah teori pembangkitan spontan dan membuktikan validitas teori biogenesis.

teori panspermia. Menurut teori ini, kehidupan dibawa ke Bumi dari luar, oleh karena itu, pada dasarnya, itu tidak dapat dianggap sebagai teori asal usul kehidupan. Ia tidak menawarkan mekanisme untuk menjelaskan asal usul kehidupan, tetapi hanya menanggung masalah asal usul kehidupan di tempat lain di alam semesta.

Teori evolusi biokimia. Kehidupan muncul dalam kondisi spesifik Bumi purba sebagai hasil dari proses yang mematuhi hukum fisika dan kimia.

Teori terakhir mencerminkan pandangan ilmu alam modern dan karena itu akan dipertimbangkan secara lebih rinci.

Menurut data ilmu pengetahuan modern, usia Bumi kira-kira 4,5 - 5 miliar tahun. Di masa lalu yang jauh, kondisi di Bumi secara fundamental berbeda dari yang modern, yang mengarah ke jalur evolusi kimia tertentu, yang merupakan prasyarat untuk munculnya kehidupan. Dengan kata lain, evolusi biologis itu sendiri didahului oleh prebiotik evolusi yang terkait dengan transisi dari materi anorganik ke organik, dan kemudian ke bentuk kehidupan dasar. Hal ini dimungkinkan dalam kondisi tertentu yang terjadi di Bumi pada waktu itu, yaitu:

suhu tinggi, sekitar 4000 ° C, atmosfer terdiri dari uap air, CO 2, CH 3, NH 3, adanya senyawa belerang (aktivitas vulkanik), aktivitas listrik atmosfer yang tinggi, radiasi ultraviolet Matahari, yang bebas mencapai bagian bawah lapisan atmosfer dan permukaan bumi, karena lapisan ozon belum terbentuk.

Salah satu perbedaan terpenting antara teori evolusi biokimia dan teori pembangkitan spontan (spontan) harus ditekankan, yaitu: menurut teori ini kehidupan muncul dalam kondisi yang tidak cocok untuk biota modern!

Kembali ke atas dokumen

Hipotesis Oparin-Haldane. Pada tahun 1923, hipotesis terkenal Oparin muncul, yang diringkas menjadi sebagai berikut: hidrokarbon kompleks pertama dapat muncul di lautan dari senyawa yang lebih sederhana, secara bertahap terakumulasi dan mengarah pada munculnya "sup primer". Hipotesis ini dengan cepat mendapatkan bobot teori. Harus dikatakan bahwa studi eksperimental berikutnya membuktikan validitas asumsi tersebut. Jadi pada tahun 1953, S. Miller, setelah mensimulasikan kondisi yang diharapkan dari Bumi purba (suhu tinggi, radiasi ultraviolet, pelepasan listrik), mensintesis di laboratorium 15 asam amino yang membentuk makhluk hidup, beberapa gula sederhana (ribosa). Kemudian, asam nukleat sederhana disintesis (Ordzhel). Saat ini, semua 20 asam amino yang membentuk dasar kehidupan telah disintesis.

Oparin menyarankan bahwa peran yang menentukan dalam transformasi benda mati menjadi makhluk hidup adalah milik protein. Protein mampu membentuk kompleks hidrofilik: molekul air membentuk cangkang di sekelilingnya. Kompleks ini dapat terpisah dari fase air dan membentuk apa yang disebut koaservat (<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.

(Ilmuwan Inggris Haldane (University of Cambridge) menerbitkan hipotesisnya pada tahun 1929, yang menurutnya kehidupan juga muncul di Bumi sebagai hasil dari proses kimia di atmosfer Bumi yang kaya akan karbon dioksida, dan makhluk hidup pertama mungkin adalah "molekul besar" Tidak disebutkan baik kompleks hidrofilik maupun koaservat, tetapi namanya sering disebutkan di sebelah nama Oparin, dan hipotesis itu disebut hipotesis Oparin-Haldane.)

Peran yang menentukan dalam munculnya kehidupan kemudian ditugaskan pada munculnya mekanisme replikasi molekul DNA. Memang, setiap kombinasi kompleks asam amino dan senyawa organik kompleks lainnya belumlah kehidupan. Bagaimanapun juga, sifat terpenting dari kehidupan adalah kemampuannya untuk mereproduksi dirinya sendiri. Masalahnya di sini adalah bahwa DNA itu sendiri "tidak berdaya", dapat berfungsi hanya dengan adanya protein enzim(misalnya, molekul DNA polimerase yang “melepaskan” molekul DNA, mempersiapkannya untuk replikasi). Masih menjadi pertanyaan terbuka bagaimana “mesin” kompleks seperti pra-DNA dan kompleks protein-enzim yang diperlukan untuk fungsinya dapat muncul secara spontan.

Baru-baru ini, ide asal usul kehidupan berdasarkan RNA , yaitu organisme pertama bisa jadi RNA, yang, seperti yang ditunjukkan eksperimen, dapat berevolusi bahkan dalam tabung reaksi. Kondisi untuk evolusi organisme tersebut diamati selama kristalisasi tanah liat . Asumsi ini didasarkan, khususnya, pada fakta bahwa selama kristalisasi lempung, setiap lapisan kristal baru berbaris sesuai dengan fitur lapisan sebelumnya, seolah-olah menerima informasi tentang struktur darinya. Ini menyerupai mekanisme replikasi RNA dan DNA. Jadi, ternyata evolusi kimia dimulai dengan senyawa anorganik, dan biopolimer pertama bisa menjadi hasil reaksi autokatalitik. molekul kecil aluminosilikat tanah liat.

Kembali ke atas dokumen

Hypercycles dan asal usul kehidupan. Konsep pengorganisasian diri dapat berkontribusi pada pemahaman yang lebih baik tentang proses asal usul dan evolusi kehidupan, berdasarkan teori evolusi kimia Rudenko, yang dibahas sebelumnya, dan hipotesis ahli kimia fisik Jerman M. Eigen. Menurut yang terakhir, proses munculnya sel-sel hidup terkait erat dengan interaksi nukleotida ( nukleotida - unsur asam nukleat - sitosin, guanin, timin, adenin), yang merupakan pembawa material informasi , dan protein (polipeptida) [ 1] ) berfungsi sebagai katalis reaksi kimia. Dalam proses interaksi, nukleotida, di bawah pengaruh protein, memperbanyak diri dan mengirimkan informasi ke protein yang mengikutinya, sehingga ada sirkuit autokatalitik tertutup , yang disebut M. Eigen hipersiklus . Dalam perjalanan evolusi lebih lanjut, sel-sel hidup pertama muncul dari mereka, pertama non-nuklir (prokariota), dan kemudian dengan inti - eukariota.

Di sini, seperti yang kita lihat, ada hubungan logis antara teori evolusi katalis dan konsep rantai autokatalitik tertutup. Dalam perjalanan evolusi, prinsip autocatalysis dilengkapi dengan prinsip self-reproduksi dari seluruh proses siklus terorganisir dalam hypercycles, yang diusulkan oleh M. Eigen. Reproduksi komponen hypercycles, serta kombinasinya menjadi hypercycles baru, disertai dengan peningkatan metabolisme yang terkait dengan sintesis molekul berenergi tinggi dan ekskresi molekul miskin energi sebagai "limbah". ( Di sini menarik untuk dicatat ciri-ciri virus sebagai bentuk peralihan antara kehidupan dan non-kehidupan:mereka kehilangan kemampuan untuk memetabolisme dan, menyerang sel, mulai menggunakan sistem metabolisme mereka). Jadi, menurut Eigen, terjadi kompetisi hypercycles, atau siklus reaksi kimia yang mengarah pada pembentukan molekul protein. Siklus yang bekerja lebih cepat dan lebih efisien daripada yang lain "memenangkan" persaingan.

Dengan demikian, konsep pengorganisasian diri memungkinkan untuk membangun hubungan antara makhluk hidup dan tidak hidup selama evolusi, sehingga munculnya kehidupan tampaknya tidak sepenuhnya acak dan kombinasi kondisi dan prasyarat yang sangat tidak mungkin. untuk penampilannya. Selain itu, kehidupan itu sendiri mempersiapkan kondisi untuk evolusi lebih lanjut.

Kembali ke atas dokumen

pertanyaan tes

1. Sebutkan tahapan utama pembentukan planet sesuai dengan model rotasi. 2. Ciri-ciri umum apa dari planet-planet tata surya yang menunjukkan asal usul tunggal planet-planet? 3. Jelaskan kelimpahan unsur-unsur kimia di tata surya. 4. Bagaimana diferensiasi materi bumi terjadi? Jelaskan struktur bumi! 5. Apa itu geokronologi?

6. Bagian apa (menurut tingkat pengetahuan) sejarah bumi dibagi menjadi? 7. Unsur apa yang disebut organogen dan mengapa? 8. Unsur apa yang membentuk komposisi kimia sistem kehidupan? 9. Apa itu pengorganisasian diri? 10. Apa inti dari pendekatan substrat dan fungsional untuk masalah pengorganisasian diri sistem kimia?

11. Apa itu kimia evolusi? 12. Apa yang dapat dikatakan tentang seleksi alam unsur kimia dan senyawanya selama evolusi kimia? 13. Apa yang dimaksud dengan pengembangan diri dari sistem katalitik? 14. Apa nilai terapan dari kimia evolusi? 15. Sebutkan teori-teori utama tentang asal usul kehidupan.

16. Apa itu kreasionisme? Bisakah kreasionisme disangkal? Jelaskan jawabanmu. 17. Apa titik lemah dari teori panspermia? 18. Bagaimana teori evolusi biokimia berbeda dari teori asal usul kehidupan secara spontan (spontan)? 19. Kondisi apa yang dianggap perlu untuk munculnya kehidupan sebagai hasil evolusi biokimia? 20. Apa itu evolusi prebiotik?

21. Apa hipotesis Oparin-Haldane? 22. Apa masalah utama dalam menjelaskan transisi dari "tak hidup" ke "hidup"? 23. Apa itu hypercycle?

literatur

1. Dubnishcheva T.Ya. Konsep ilmu alam modern. - Novosibirsk: YukEA, 1997. 2. Kuznetsov V.N., Idlis G.M., Gutina V.N. Ilmu pengetahuan Alam. - M.: Agar, 1996. 3. Gryadovoy D.N. Konsep ilmu alam modern. Kursus struktural dasar-dasar ilmu alam. - M.: Uchped, 1999. 4. Konsep ilmu alam modern / ed. S.I. Samygin. - Rostov n / a: Phoenix, 1997. 5. Yablokov A.V., Yusufov A.G. doktrin evolusi. - M.: Sekolah Tinggi, 1998. 6. Ruzavin G.I. Konsep ilmu alam modern. - M.: "Budaya dan olahraga", UNITI, 1997. 7. Solopov E.F. Konsep ilmu alam modern. – M.: Vlados, 1998.

8. Paradoks Nudelman R. Cambrian. - "Pengetahuan adalah Kekuatan", Agustus, September-Oktober 1988.

[ 1] polipeptida adalah rantai panjang asam amino

Kembali ke atas dokumen

Hak untuk mendistribusikan dan menggunakan kursus adalah milik Universitas Teknik Penerbangan Negeri Ufa

Evolusi kimia adalah proses perubahan ireversibel yang mengarah pada munculnya senyawa kimia baru - produk yang lebih kompleks dan sangat terorganisir dibandingkan dengan zat aslinya. Proses-proses ini mulai diselidiki secara aktif dan terarah pada tahun 1970-an. sehubungan dengan studi tentang masalah proses kimia yang terus-menerus menjadi lebih kompleks ke tingkat yang berkontribusi pada munculnya materi hidup di Bumi. Ketertarikan pada proses ini kembali ke upaya lama untuk memahami bagaimana organik, dan kemudian kehidupan, muncul dari materi anorganik. Yang pertama menyadari keteraturan dan efisiensi tinggi proses kimia dalam organisme hidup adalah pendiri kimia organik Y.Ya. Berzelius (akhir abad ke-18 - awal abad ke-19. Dia menetapkan bahwa dasar dari laboratorium organisme hidup adalah biokatalisis. Sangat penting melekat pada pengalaman katalitik alam hidup di abad ke-20. Jadi, Akademisi N.N. Semenov menganggap proses kimia yang terjadi di jaringan tumbuhan dan hewan sebagai semacam "produksi kimia" dari alam yang hidup.

Mari kita pertimbangkan secara singkat tahap-tahap evolusi kimia. Mungkin, harus diakui bahwa itu dimulai dengan penampilan pembawa paling sederhana - atom. Menurut konsep Big Bang, unsur-unsur kimia yang ada sekarang, muncul dalam proses evolusi Alam Semesta dari keadaan superpadat dan superpanas ke dunia bintang dan galaksi modern. Diasumsikan bahwa atom hidrogen yang paling sederhana (atau lebih tepatnya, inti mereka) adalah yang pertama terbentuk. Kira-kira 1 detik setelah Big Bang, densitas materi menurun menjadi 1 t/cm 3 , suhu menjadi 100 miliar K, dan diameternya meningkat menjadi 1500 miliar km. Substansi berada dalam keadaan plasma terionisasi penuh, terdiri dari nukleon (proton dan neutron) dan elektron. Setelah 10 detik berikutnya, ketika suhu turun menjadi 10 miliar K, kondisi muncul untuk reaksi nuklir untuk membentuk inti deuteron - deuterium (hidrogen berat).

Namun, pada suhu ini, kesetimbangan reaksi ini sangat bergeser ke kiri (pergeseran ke kanan hanya pada suhu 1 miliar K - sekitar 100 detik setelah Big Bang), dan deuteron tidak dapat terakumulasi, karena di bawah ini kondisi mereka berubah menjadi inti helium (skema ini cukup memuaskan menjelaskan jumlah helium di alam semesta kita). Pada tahap prabintang perkembangan materi, inti unsur kimia lainnya tidak terbentuk, karena kerapatan dan suhu Alam Semesta yang mengembang turun dengan cepat. Dalam hal ini, proses pembentukan 4 He (gambar di kiri atas adalah massa atom relatif, yaitu massa atom, yang dinyatakan dalam satuan massa atom, yaitu 1/12 massa isotop karbon dengan nomor massa 12-1.6605655 (86) 10 "27 kg), dimulai kira-kira 2 menit setelah Big Bang, berhenti pada akhir menit ke-4. Ketika Alam Semesta mendingin hingga suhu 3500 K (setelah sekitar 1 juta tahun), inti helium dan inti hidrogen yang tersisa bergabung kembali dengan elektron: atom terbentuk helium dan hidrogen - bahan sumber untuk gas antarbintang dan sistem bintang.

Sintesis lebih lanjut dari unsur-unsur kimia berlanjut di bagian dalam bintang saat suhu naik. Dalam proses kondensasi gas antarbintang yang terdiri dari hidrogen dan helium menjadi protobintang, sebagai akibat dari kompresi gravitasi, suhu naik dan reaksi pembentukan helium dari hidrogen kembali dimungkinkan. Tahap ini ditandai dengan suhu tidak melebihi 20.106 K.

Setelah inti helium, inti 12 C dan 16 O adalah yang paling stabil.Epos termonuklir pembentukan inti tersebut (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.

Dapat diasumsikan dengan tingkat kemungkinan yang tinggi bahwa beberapa tahap fusi nuklir telah berubah di tata surya. Perbandingan komposisi kimia Matahari dan komposisi kimia materi bintang memungkinkan kita untuk menyimpulkan bahwa semua proses sintesis nuklir yang dijelaskan di atas terjadi di Tata Surya, dan massa awal bintang yang terbentuk di bagian Galaksi kita melebihi yang kritis (sama dengan 1,44 massa matahari), dan ternyata tidak stabil. Di bawah pengaruh tarikan gravitasi, protobintang berkontraksi, suhunya meningkat, memberikan tahap pertama fusi nuklir. Energi yang dilepaskan dalam kasus ini ternyata terlalu besar, akibatnya, setelah beberapa saat, ledakan terjadi dan inti dari elemen terberat terbentuk. Massa bintang berkurang karena ejeksi materi. Proses ini diulang beberapa kali hingga massa bintang masif pusat berada di bawah batas kritis. Mekanisme seperti itu memberikan interval waktu yang cukup untuk evolusi kimia, geologis-geografis dan biologi.

Saat ini, banyak peneliti percaya bahwa planet-planet tata surya terbentuk dari materi matahari yang dikeluarkan dari matahari ketika menjadi supernova. Pendinginan nebula gas berbentuk cakram yang terbentuk di sekitar Matahari memungkinkan untuk menggabungkan atom menjadi molekul, mis. evolusi kimia dimulai.

Molekul tidak dapat terbentuk pada suhu bintang, ketika sebagian besar atom ada dalam bentuk ion bermuatan ganda (misalnya, di korona matahari pada 1 juta K, atom besi adalah ion Fe 13+). Molekul diatomik hanya ditemukan dalam spektrum bintang terdingin dengan suhu permukaan 2000-3000 K (oksida Al, Mg, Ti, Zr, C, Si dan beberapa molekul diatomik lainnya dengan ikatan kimia terkuat). Pada saat yang sama, sejumlah besar molekul, termasuk yang cukup kompleks, hadir di ruang antarbintang. Diasumsikan bahwa komposisi molekul-molekul ini sesuai dengan komposisi molekul pertama yang terbentuk sebagai hasil pendinginan materi bintang. Molekul lain juga telah ditemukan, tetapi dalam jumlah yang jauh lebih kecil.

Ketika suhu nebula protoplanet turun menjadi 1000-1800 K, mereka mulai mengembun, mis. menjadi cair dan padat, zat yang paling tahan api, khususnya, tetesan besi terbentuk, dan kemudian silikat (garam asam silikat).

Pada suhu 400–1000 K, logam lain dan senyawanya dengan belerang dan oksigen terkondensasi. Tetesan beku bahan silikat dalam bentuk chondrules (benda bulat kecil) terbentuk, tampaknya, selama kondensasi berikutnya, banyak asteroid - badan utama meteorit chondrite. Dapat diasumsikan bahwa sebagai hasil dari diferensiasi gas primer di bawah aksi angin matahari (aliran plasma korona matahari ke ruang antarplanet) dan gradien suhu, atom-atom unsur paling ringan terlempar ke pinggiran planet. tata surya dan planet-planet terestrial yang terletak lebih dekat ke Matahari muncul dengan mengentalkan fraksi suhu tertinggi dengan kandungan besi yang tinggi.

Dengan terbentuknya Bumi sebagai planet, evolusi Bumi mulai mempengaruhi evolusi kimia. Pengaruh ini diekspresikan (dan saat ini diekspresikan) dalam mengubah distribusi konsentrasi unsur-unsur kimia di tubuh bumi dan di cangkangnya (di atmosfer, hidrosfer, kerak, mantel, inti), serta dalam menciptakan kondisi (suhu , tekanan) untuk pembentukan zat baru.

Tentu saja, efek sebaliknya juga terjadi. Terbentuknya zat baru dan munculnya peluang proses kimia baru menyebabkan terbentuknya formasi geologi baru, seperti batuan sedimen. Dengan demikian, evolusi geologis dan kimia berlangsung secara bersama-sama, saling mempengaruhi satu sama lain. Evolusi kimia telah menyebabkan munculnya kehidupan. Ini terjadi karena perkembangan bukan dari zat, tetapi dari sistem dan proses kimia yang terjadi di dalamnya.

Metodologi untuk mempelajari evolusi kimia (teori)

Studi tentang evolusi kimia diperumit oleh fakta bahwa saat ini pengetahuan tentang kondisi geokimia Bumi purba tidak cukup lengkap.

Oleh karena itu, selain data geologi, data astronomi juga dilibatkan. Dengan demikian, kondisi di Venus dan Mars dianggap sedekat mungkin dengan yang ada di Bumi pada berbagai tahap evolusinya.

Data utama tentang evolusi kimia diperoleh sebagai hasil percobaan model, di mana dimungkinkan untuk memperoleh molekul organik kompleks dengan mensimulasikan berbagai komposisi kimia atmosfer, hidrosfer dan litosfer serta kondisi iklim.

Berdasarkan data yang tersedia, sejumlah hipotesis telah diajukan tentang mekanisme spesifik dan kekuatan pendorong langsung dari evolusi kimia.

Abiogenesis

Dalam arti luas, abiogenesis adalah munculnya makhluk hidup dari benda mati, yaitu hipotesis awal teori modern tentang asal usul kehidupan. Pada 1920-an, Akademisi Oparin menyarankan bahwa dalam larutan senyawa makromolekul, secara spontan zona peningkatan konsentrasi terbentuk, yang relatif terpisah dari lingkungan eksternal dan dapat mempertahankan pertukaran dengannya. Dia memanggil mereka Tetes coacervate, atau sederhananya coacervate.

Ikhtisar Topik

Hipotesis evolusi kimia harus menjelaskan aspek-aspek berikut:

1. Munculnya kondisi di ruang angkasa atau di Bumi untuk sintesis autokatalitik volume besar dan berbagai molekul yang mengandung karbon, yaitu, munculnya zat yang diperlukan dan cukup untuk awal evolusi kimia dalam proses abiogenik.
2. Munculnya agregat tertutup yang relatif stabil dari molekul tersebut, memungkinkan mereka untuk mengisolasi diri dari lingkungan sedemikian rupa sehingga pertukaran selektif materi dan energi menjadi mungkin dengan itu, yaitu munculnya struktur protoseluler tertentu.
3. Penampilan dalam kumpulan sistem informasi kimia yang mampu mengubah diri dan mereplikasi diri, yaitu, munculnya unit-unit dasar dari kode herediter.
4. Munculnya saling ketergantungan antara sifat-sifat protein dan fungsi enzim dengan pembawa informasi (RNA, DNA), yaitu munculnya kode hereditas yang sebenarnya, sebagai kondisi yang sudah diperlukan untuk evolusi biologis.

Kontribusi besar untuk klarifikasi masalah ini, antara lain, dibuat oleh para ilmuwan berikut:

• Harold Urey dan Stanley Miller pada tahun 1953: Munculnya biomolekul sederhana dalam atmosfer kuno yang disimulasikan.
• Sydney Fox: Mikrosfer dari protein.
• Thomas Check (University of Colorado) dan Sidney Altman (University of Yale New Haven Connecticut) pada tahun 1981: Pembelahan RNA autocatalytic: "Ribozymes" menggabungkan katalisis dan informasi dalam sebuah molekul. Mereka mampu memotong diri mereka sendiri dari rantai RNA yang lebih panjang dan bergabung dengan ujung yang tersisa lagi.
• Walter Gilbert (Harvard University of Cambridge) mengembangkan pada tahun 1986 gagasan tentang dunia RNA.
• Gunther von Kiedrowski (Ruhr-University Bochum) menyajikan pada tahun 1986 sistem replikasi-diri berbasis DNA pertama, kontribusi penting untuk memahami fungsi pertumbuhan sistem replikasi-diri
• Manfred Eigen (Institut Max Planck, Fakultas Kimia Biofisika, Göttingen): Evolusi ansambel molekul RNA. Hypercycle.
• Julius Rebeck (Cambridge) menciptakan molekul buatan (Aminoadenosintriazidester) yang mereplikasi diri dalam larutan kloroform. Salinan masih identik dengan polanya, jadi evolusi tidak mungkin untuk molekul-molekul ini.
• John Corlis (Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard - NASA): Mata air panas laut menyediakan energi dan bahan kimia yang memungkinkan evolusi kimia terlepas dari lingkungan luar angkasa. Bahkan hari ini mereka adalah lingkungan hidup bagi archaeobacteria (Archaea), yang awalnya dalam banyak hal.
• Günther Wächtershäuser (ur. Gunter_Wächtershauser ) (Munich): Struktur pertama yang mereplikasi diri dengan metabolisme muncul di permukaan pirit. Pirit (besi sulfida) memasok energi yang diperlukan untuk ini. Pada kristal pirit yang tumbuh dan kembali membusuk, sistem ini dapat tumbuh dan berkembang biak, dan populasi yang berbeda menghadapi kondisi lingkungan yang berbeda (kondisi seleksi).
• A. G. Cairns-Smith (University of Glasgow) dan David K. Mauerzall (Rockefeller-Universität New York, New York) melihat dalam mineral lempung suatu sistem yang awalnya tunduk pada evolusi kimia, menghasilkan banyak kristal yang berbeda dan dapat mereplikasi diri. . Kristal ini menarik molekul organik dengan muatan listriknya dan mengkatalisis sintesis biomolekul kompleks, dan volume informasi struktur kristal pertama berfungsi sebagai matriks. Senyawa organik ini menjadi semakin kompleks hingga dapat berkembang biak tanpa bantuan mineral lempung.
• Wolfgang Weigand, Mark Derr dkk (Max Planck Institute Faculty of Biogeochemistry, Jena) menunjukkan pada tahun 2003 bahwa besi sulfida dapat mengkatalisis sintesis amonia dari molekul nitrogen.

Sebuah model terpadu evolusi kimia belum dikembangkan, mungkin karena prinsip-prinsip yang mendasarinya belum ditemukan.

Persiapan

Biomolekul

Sintesis prebiotik senyawa kompleks molekul dapat dibagi menjadi tiga tahap berturut-turut:

1. Munculnya senyawa organik sederhana (alkohol, asam, senyawa heterosiklik: purin, pirimidin dan pirol) dari bahan anorganik.
2. Sintesis senyawa organik yang lebih kompleks - "biomolekul" - perwakilan dari kelas metabolit yang paling umum, termasuk monomer - unit struktural biopolimer (monosakarida, asam amino, asam lemak, nukleotida) dari senyawa organik sederhana.
3. Munculnya biopolimer kompleks (polisakarida, protein, asam nukleat) dari unit struktural utama - monomer.

Salah satu pertanyaannya adalah komposisi kimia media tempat sintesis prebiologis dilakukan, termasuk komponen anorganik mana yang merupakan sumber berbagai unsur yang menyusun berbagai senyawa organik.

Kemungkinan sumber unsur anorganik:

Semua hipotesis berangkat dari fakta bahwa, selain air dan fosfat, pada tahap awal sejarah Bumi, hanya bentuk tereduksi yang hadir di atmosfer dan hidrosfer dalam jumlah yang cukup, yang berbeda dari senyawa kimia yang umum pada periode modern, sejak atmosfer kuno tidak mengandung oksigen molekuler.

Pada saat itu, radiasi ultraviolet dari Matahari, panas dari proses vulkanik, radiasi pengion dari peluruhan radioaktif, dan pelepasan listrik dapat bertindak sebagai sumber energi yang memulai sintesis. Ada juga teori di mana proses redoks antara gas vulkanik (pereduksi) dan sebagian mineral sulfida pengoksidasi, seperti pirit (FeS 2) dapat berfungsi sebagai sumber energi yang diperlukan untuk munculnya biomolekul.

Pengembangan Suasana Kuno

Perkembangan atmosfer bumi adalah bagian dari evolusi kimia dan, terlebih lagi, merupakan elemen penting dalam sejarah iklim. Hari ini dibagi menjadi empat tahap penting perkembangan.

Awalnya, pembentukan unsur-unsur kimia di ruang angkasa dan kemunculan bumi dari mereka terjadi - sekitar 4,56 miliar tahun yang lalu. Agaknya, planet kita sudah cukup awal memiliki atmosfer hidrogen (H 2) dan helium (He), yang, bagaimanapun, kembali hilang ke luar angkasa. Para astronom juga berasumsi bahwa karena suhu yang relatif tinggi dan efek angin matahari, hanya sejumlah kecil unsur kimia ringan (termasuk karbon, nitrogen, dan oksigen) yang dapat tetap berada di bumi dan planet lain di dekat matahari. Semua elemen ini, yang saat ini merupakan bagian utama biosfer, dibawa, menurut teori ini, oleh tumbukan komet dari bagian terluar tata surya hanya setelah jangka waktu yang lama, ketika protoplanet sedikit mendingin. Selama beberapa juta tahun pertama setelah munculnya tata surya, tumbukan dengan benda-benda langit terus berulang, tumbukan yang disebabkan oleh mereka menghancurkan sistem kehidupan yang terbentuk pada waktu itu oleh sterilisasi global. Karena itu, munculnya kehidupan hanya dapat dimulai setelah akumulasi air untuk waktu yang lama, setidaknya di depresi terdalam.

Tanda-tanda Aktivitas Vulkanik: Deposit Sulfur di Tepi Kawah Halema'uma'u Mauna Loa di Hawaii

Letusan gunung berapi adalah bentuk aktivitas gunung berapi yang paling spektakuler

Dengan pendinginan bumi yang lambat, aktivitas vulkanik (pelepasan gas dari perut bumi) dan distribusi material secara global dari komet yang jatuh, atmosfer bumi kedua muncul. Kemungkinan besar, itu terdiri dari uap air (H 2 O hingga 80%), karbon dioksida (CO 2; hingga 20%), hidrogen sulfida (hingga 7%), amonia dan metana. Tingginya persentase uap air ini disebabkan oleh kenyataan bahwa permukaan bumi pada waktu itu masih terlalu panas untuk pembentukan laut. Pertama-tama, molekul organik kecil (asam, alkohol, asam amino) dapat terbentuk dari air, metana, dan amonia di bawah kondisi bumi muda, kemudian juga polimer organik (polisakarida, lemak, polipeptida), yang tidak stabil dalam suasana asam. .

Setelah atmosfer mendingin di bawah titik didih air, periode curah hujan yang sangat lama dimulai, yang membentuk lautan. Saturasi gas atmosfer lainnya relatif terhadap uap air telah meningkat. Iradiasi ultraviolet yang intens menyebabkan dekomposisi fotokimia air, metana dan amonia, menghasilkan akumulasi karbon dioksida dan nitrogen. Gas ringan - hidrogen dan helium - terbawa ke luar angkasa, karbon dioksida terlarut dalam jumlah besar di lautan, meningkatkan keasaman air. Nilai pH turun menjadi 4. Nitrogen N2 yang lembam dan sedikit larut terakumulasi dari waktu ke waktu dan membentuk komponen utama atmosfer sekitar 3,4 miliar tahun yang lalu.

Pengendapan karbon dioksida terlarut bereaksi dengan ion logam (karbonat) dan perkembangan lebih lanjut makhluk hidup yang mengasimilasi karbon dioksida menyebabkan penurunan konsentrasi CO2 dan peningkatan pH di badan air.

Oksigen O 2 memainkan peran penting dalam perkembangan lebih lanjut dari atmosfer. Itu terbentuk dengan munculnya makhluk hidup fotosintesis, mungkin cyanobacteria (ganggang biru-hijau) atau prokariota serupa. Asimilasi karbon dioksida oleh mereka menyebabkan penurunan keasaman lebih lanjut, saturasi atmosfer dengan oksigen masih cukup rendah. Alasan untuk ini adalah penggunaan langsung oksigen terlarut di laut untuk oksidasi ion besi divalen dan senyawa teroksidasi lainnya. Sekitar dua miliar tahun yang lalu, proses ini berakhir, dan oksigen mulai menumpuk secara bertahap di atmosfer.

Oksigen yang sangat reaktif dengan mudah mengoksidasi biomolekul organik yang rentan dan dengan demikian menjadi faktor seleksi lingkungan untuk organisme awal. Hanya beberapa organisme anaerob yang mampu pindah ke relung ekologi bebas oksigen, bagian lain telah mengembangkan enzim (misalnya, katalase) yang membuat oksigen tidak berbahaya. Dalam beberapa mikroorganisme, dari enzim tersebut, enzim membran kompleks telah dikembangkan - oksidase akhir yang secara metabolik menggunakan oksigen yang ada untuk mengumpulkan energi yang diperlukan untuk pertumbuhan sel mereka sendiri - tahap akhir oksidasi dalam rantai respirasi aerobik. Tergantung pada organisme, ada berbagai bentuk oksidase terminal, misalnya, quinol oksidase atau sitokrom C oksidase, yang berbeda di pusat aktif yang mengandung ion tembaga dan heme. Ini memberikan alasan untuk percaya bahwa mereka berasal dari cara perkembangan paralel yang berbeda. Dalam banyak kasus, berbagai jenis oksidase terminal terjadi pada organisme yang sama. Enzim-enzim ini adalah yang terakhir dalam rantai kompleks enzim berurutan yang menghemat energi redoks dengan mentransfer proton atau ion natrium dalam bentuk potensial listrik transmembran. Yang terakhir diubah lagi menjadi energi kimia dalam bentuk ATP oleh kompleks enzim lain. Sintesis ATP dan komponen lain dari rantai pernapasan dalam cahaya evolusioner jauh lebih tua daripada oksidase akhir, karena mereka telah memainkan peran penting dalam banyak proses metabolisme aerobik (respirasi aerobik, banyak proses fermentasi, metanogenesis), serta dalam anoksigenik. dan fotosintesis oksigen.

Satu miliar tahun yang lalu, kandungan oksigen di atmosfer melewati batas satu persen dan beberapa juta tahun kemudian lapisan ozon terbentuk. Kandungan oksigen saat ini sebesar 21% hanya dicapai 350 juta tahun yang lalu dan tetap stabil sejak saat itu.

Pentingnya air untuk asal usul dan pelestarian kehidupan

H 2 O adalah senyawa kimia yang ada dalam kondisi normal di ketiga keadaan agregasi.

Meskipun ini menunjukkan kemungkinan pembentukan alami molekul organik, hasil ini terkadang dikritik hari ini. Dalam percobaan sup primordial, diasumsikan bahwa atmosfer pada waktu itu bersifat basa, yang sesuai dengan ide-ide ilmiah pada waktu itu. Hari ini, di sisi lain, sifat atmosfer yang sedikit basa atau bahkan netral diasumsikan, meskipun masalah tersebut belum akhirnya diselesaikan dan penyimpangan kimia lokal dari kondisi atmosfer juga dibahas, misalnya, di sekitar gunung berapi. Eksperimen selanjutnya membuktikan kemungkinan munculnya molekul organik bahkan di bawah kondisi ini, bahkan yang tidak diperoleh dalam eksperimen pertama, tetapi dalam jumlah yang jauh lebih kecil. Ini sering berargumen bahwa asal usul molekul organik dengan cara yang berbeda setidaknya memainkan peran tambahan. Teori asal usul organik di sekitarnya juga diberikan.

Sebagai argumen yang menentang asal usul molekul organik dari kaldu primordial, fakta kadang-kadang dikutip bahwa selama percobaan diperoleh rasemat, yaitu campuran yang sama dari bentuk asam amino L dan D. Dengan demikian, pasti ada proses alami di mana varian tertentu dari molekul kiral lebih disukai. Beberapa ahli biologi luar angkasa berpendapat bahwa lebih mudah untuk membuktikan asal usul senyawa organik di luar angkasa, karena, menurut pendapat mereka, proses fotokimia dengan radiasi terpolarisasi sirkular, seperti dari pulsar, hanya mampu menghancurkan molekul dengan rotasi tertentu. Memang, molekul organik kiral yang ditemukan di meteorit didominasi oleh 9% kidal. Namun pada tahun 2001 Alan Saghatelian menunjukkan bahwa sistem peptida yang mereplikasi sendiri juga mampu secara efisien memilih molekul dengan rotasi tertentu dalam campuran rasemat, yang memungkinkan asal terestrial polimer dari isomer optik tertentu.

Reaksi lebih lanjut

Dari produk antara aldehida dan asam hidrosianat HCN yang muncul dalam percobaan Miller-Urey, biomolekul lebih lanjut dapat diperoleh di bawah simulasi kondisi bumi 4,5 miliar tahun yang lalu. Dengan demikian, Juan Oro pada tahun 1961 berhasil melakukan sintesis adenin:

Dari ribosa, adenin dan trifosfat, adenosin trifosfat (ATP) muncul, yang digunakan dalam organisme sebagai pembawa energi universal dan elemen pembangun (sebagai monofosfat) asam ribonukleat (RNA).

Keterlibatan mineral dan batuan

• Permukaan kristal dapat berfungsi sebagai matriks untuk pertumbuhan makromolekul. Dalam hal ini, berbagai permukaan kristal dapat mengikat enansiomer molekul tertentu. Asam amino L dan D menempel pada tempat yang berbeda dalam kristal kalsit.
• Aaron Kachalssky (Weizmann Institute, Israel) menunjukkan bahwa dalam larutan berair yang mengandung montmorillonit (salah satu mineral lempung), dimungkinkan untuk mensintesis protein dengan panjang rantai lebih dari 50 asam amino dengan hasil hampir 100%.
• Ion logam dapat bertindak sebagai katalis, donor elektron, atau dimasukkan ke dalam biomolekul.
• Mineral lempung dalam larutan berair sering membawa muatan listrik permukaan dan dengan demikian dapat menarik dan menahan molekul organik yang bermuatan berlawanan.
• Molekul senyawa organik dalam rongga mikro batuan terlindung dari iradiasi ultraviolet.

Teori Wchterhuser

Bentuk kontribusi mineral dan batuan yang sangat intensif terhadap sintesis prebiotik molekul organik harus terjadi pada permukaan mineral besi sulfida. Teori Miller-Urey memiliki keterbatasan yang signifikan, terutama mengingat penjelasan yang salah untuk polimerisasi konstituen monomer dari biomolekul.

Bakteri anaerob, yang metabolismenya terjadi dengan partisipasi besi dan belerang, masih ada sampai sekarang.

Intergrowth kristal besi sulfida FeS 2

Skenario alternatif telah dikembangkan sejak awal 1980-an oleh Günther Wächterhäuser. Menurut teori ini, kehidupan di bumi muncul di permukaan mineral besi-sulfur, yaitu sulfida, yang masih terbentuk sampai sekarang melalui proses geologis, dan di bumi muda seharusnya jauh lebih umum. Teori ini, bertentangan dengan Hipotesis Dunia RNA, menunjukkan bahwa metabolisme mendahului munculnya enzim dan gen. Sebagai tempat yang cocok, perokok hitam disarankan di dasar lautan di mana terdapat tekanan tinggi, suhu tinggi, tidak ada oksigen dan berbagai senyawa berlimpah disajikan yang dapat berfungsi sebagai bahan bangunan "batu bata kehidupan" atau katalis dalam rangkaian reaksi kimia. Keuntungan besar dari konsep ini dibandingkan pendahulunya adalah bahwa untuk pertama kalinya pembentukan biomolekul kompleks dikaitkan dengan sumber energi yang dapat diandalkan secara konstan. Energi dilepaskan selama reduksi mineral besi-sulfur yang teroksidasi sebagian, seperti pirit (FeS 2), dengan hidrogen (persamaan reaksi: FeS 2 + H 2 FeS + H 2 S), dan energi ini cukup untuk sintesis endotermik elemen struktural monomer biomolekul dan polimerisasinya:

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

Logam lain, seperti besi, juga membentuk sulfida yang tidak larut. Selain itu, pirit dan mineral besi-sulfur lainnya memiliki permukaan bermuatan positif, di mana biomolekul bermuatan negatif (asam organik, ester fosfat, tiol) dapat ditemukan, dipekatkan, dan bereaksi satu sama lain. Zat yang diperlukan untuk ini (hidrogen sulfida, karbon monoksida dan garam besi) jatuh dari larutan ke permukaan "dunia besi-sulfur" ini. Wächterhäuser menggunakan mekanisme dasar metabolisme yang ada untuk teorinya dan mengambil skenario tertutup untuk sintesis molekul organik kompleks (asam organik, asam amino, gula, basa nitrogen, lemak) dari senyawa anorganik sederhana yang ditemukan dalam gas vulkanik (NH 3, H 2 , CO, CO 2 , CH 4 , H 2 S).

Berbeda dengan percobaan Miller-Urey, tidak ada sumber energi yang terlibat dari luar, dalam bentuk petir atau radiasi ultraviolet; selain itu, tahap pertama sintesis pada suhu dan tekanan tinggi berlangsung lebih cepat (misalnya, reaksi kimia yang dikatalisis oleh enzim). Pada suhu gunung berapi bawah laut hingga 350 ° C, munculnya kehidupan cukup bisa dibayangkan. Baru kemudian, dengan munculnya katalis yang sensitif terhadap suhu tinggi (vitamin, protein), evolusi seharusnya terjadi pada suhu yang lebih rendah.

Skenario Wächterhäuser sangat cocok untuk kondisi ventilasi hidrotermal laut dalam, karena perbedaan suhu di sana memungkinkan distribusi reaksi yang serupa. Mikroorganisme hidup tertua adalah yang paling tahan panas, batas suhu maksimum yang diketahui untuk pertumbuhannya adalah +122 °C. Selain itu, pusat aktif besi-sulfur masih terlibat dalam proses biokimia, yang mungkin menunjukkan partisipasi utama mineral Fe-S dalam perkembangan kehidupan.

Pembentukan makromolekul

Biomakromolekul adalah protein dan asam nukleat. Peningkatan rantai molekul (polimerisasi) membutuhkan energi dan terjadi dengan pelepasan air (kondensasi). Selama pemecahan makromolekul (hidrolisis), energi dilepaskan. Karena kesetimbangan kimia sangat bergeser ke arah monomer sehingga reaksi berlangsung secara termodinamika irreversible menuju hidrolisis polimer, sintesis polimer tidak mungkin dilakukan tanpa suplai energi yang konstan. Bahkan dengan dukungan teoritis penguapan air, penambahan garam (mengikat air) atau pemecahan produk, kesetimbangan hanya sedikit bergeser. Akibatnya, munculnya kehidupan sangat mungkin terkait dengan sumber energi yang dapat diandalkan yang akan digunakan untuk polimerisasi.

[Monomer] n + H 2 O n Monomer + Panas,

Energi + Monomer [Monomer] n + H 2 O.

ATP paling sering digunakan sebagai sumber energi dalam biokimia, untuk pembentukan enzim yang sudah ada diperlukan. Dalam kondisi bumi muda, adalah mungkin untuk memasok energi untuk sintesis polimer dengan pembelahan hidrolitik polifosfat, yang digunakan oleh beberapa enzim sebagai pengganti pembelahan ATP saat ini. Tetapi tidak mungkin polifosfat berada dalam jumlah yang diperlukan, karena mereka dapat terbentuk secara spontan, pada penguapan larutan yang mengandung fosfat, tetapi juga terhidrolisis relatif cepat, larut dalam air. Proses serupa dapat terjadi di pantai dengan pasang surut yang teratur. Tetapi dalam kasus ini, semua proses yang bergantung pada air akan terus-menerus terganggu, yang akan terlalu memperlambat sintesis senyawa kompleks. Oleh karena itu, mari kita beralih ke sistem yang sama sekali berbeda, di mana sintesis komponen monomer dan pembentukan polimer yang bergantung pada sumber energi konstan terjadi - reaksi redoks anaerobik dengan sulfida logam.

Kesetimbangan sintesis polimer bergeser ke arah pembentukan polimer dengan meningkatkan konsentrasi monomer dan dehidrasi produk reaksi. Kondisi untuk ini adalah pembatasan media reaksi, yang hanya memiliki pertukaran terbatas zat dengan lingkungan eksternal. Secara tradisional diyakini bahwa proses seperti itu terjadi di kolam kecil dengan penguapan tinggi, yang didasarkan pada karya C. Darwin. Saat ini, wilayah vulkanik lautan dengan sulfida logam yang diendapkan dari lubang hidrotermal dianggap sebagai tempat yang cukup cocok untuk pengembangan skenario seperti itu.

Solusi lain untuk masalah ini memiliki keterbatasan yang kuat dan sulit untuk dibandingkan dengan kondisi awal bumi. Hal ini menguntungkan diperlukan untuk satu atau lebih langkah untuk mengecualikan air, yang sangat mudah dilakukan di laboratorium, tetapi tidak pada waktu yang dipertimbangkan di bumi. Salah satu sistem tersebut adalah polimerisasi karbamid (R-N=C=N-R) atau sianogen (N≡C-C≡N) dalam media anhidrat. Dalam hal ini, kondensasi komponen awal berlangsung secara paralel dengan reaksi urea, di mana energi yang diperlukan dilepaskan:

Energi + + + H 2 O (H-X-OH = monomer seperti asam amino atau ribosa)

H 2 O + Energi (jika R = H urea terjadi)

Dengan radiasi ultraviolet, sianida terbentuk dari asam hidrosianat, namun, dalam rawa yang mengering, molekul yang mudah menguap akan cepat menguap. Jika campuran kering asam amino dipanaskan hingga 130 ° C selama beberapa jam, makromolekul seperti protein akan terbentuk. Dengan adanya polifosfat, 60 °C sudah cukup. Kondisi ini dapat terbentuk jika air dengan asam amino terlarut bersentuhan dengan abu vulkanik panas.

Jika campuran nukleotida dipanaskan dengan adanya polifosfat hingga 55 °C, maka, meskipun polinukleotida muncul, koneksi masih lebih mungkin terjadi karena atom ribosa 5'- dan 2'-C, karena berlangsung lebih mudah daripada di semua organisme 5'-3'-ikatan. Rantai ganda terbentuk dari kedua jenis polinukleotida (bandingkan dengan struktur DNA). Tentu saja 5'-3'-rantai ganda lebih stabil daripada 5'-2'.

Jika tidak ada gugus hidroksil pada atom karbon 2' ribosa, diperoleh deoksoribosa. Ikatan DNA 5'-3' yang khas sekarang dapat terbentuk.

Pembentukan struktur prebiotik (prekursor sel)

Sel mendukung fungsinya dengan menyediakan lingkungan reaksi terbatas untuk memisahkan proses metabolisme satu sama lain dan untuk mengecualikan reaksi yang tidak diinginkan. Perbedaan konsentrasi dapat diciptakan pada waktu yang sama.

coacervate

Diketahui bahwa dengan meningkatnya konsentrasi, banyak senyawa organik, molekul yang mengandung situs hidrofilik dan hidrofobik, mampu membentuk misel dalam larutan berair, yaitu, pelepasan mikrodroplet fase organik. Miselisasi juga diamati selama penggaraman, yaitu, dengan peningkatan konsentrasi garam dalam larutan koloid biopolimer-polielektrolit, sedangkan mikrodroplet dengan diameter 1-500 m dilepaskan, mengandung konsentrasi tinggi biopolimer.