Teoria evoluției chimice (evolutie prebiotica, teoria abiogenezei) este prima etapă a evoluției vieții, în cursul căreia substanțele organice, prebiotice, au apărut din molecule anorganice sub influența energiei externe și a factorilor de selecție și datorită desfășurării proceselor de autoorganizare inerente tuturor sistemelor relativ complexe, care sunt fără îndoială. toate moleculele care conțin carbon. De asemenea, acești termeni denotă teoria apariției și dezvoltării acelor molecule care au o importanță fundamentală pentru apariția și dezvoltarea materiei vii.
Viața în Universul nostru este prezentată în singurul mod posibil: ca un „mod de existență a corpurilor proteice”, fezabil datorită combinației unice a proprietăților de polimerizare a carbonului și a proprietăților depolarizante ale mediului apos în fază lichidă, așa cum este necesar în comun. şi condiţii suficiente pentru apariţia şi dezvoltarea tuturor formelor de viaţă cunoscute nouă . Aceasta implică faptul că, cel puțin în cadrul unei biosfere formate, poate exista un singur cod de ereditate comun tuturor ființelor vii dintr-o anumită biotă, dar întrebarea rămâne deschisă dacă există alte biosfere în afara Pământului și dacă alte variante ale aparatului genetic. sunt posibile.

Cercetare

Studiul evoluției chimice este complicat de faptul că în prezent cunoștințele despre condițiile geochimice ale Pământului antic nu sunt suficient de complete. Prin urmare, pe lângă datele geologice, sunt implicate și datele astronomice. Astfel, condițiile de pe Venus și Marte sunt considerate la fel de apropiate de cele de pe Pământ în diferite stadii ale evoluției sale. Principalele date privind evoluția chimică au fost obținute în urma unor experimente model, în cadrul cărora s-a putut obține molecule organice complexe prin simularea diferitelor compoziții chimice ale atmosferei, hidrosferei și litosferei și condițiilor climatice. Pe baza datelor disponibile, au fost înaintate o serie de ipoteze cu privire la mecanismele specifice și forțele motrice directe ale evoluției chimice.

Abiogeneza

Într-un sens larg abiogeneza- apariţia celor vii din neînsufleţit, adică ipoteza iniţială a teoriei moderne a originii vieţii. În anii 1920, academicianul Alexander Oparin a sugerat că în soluțiile de compuși macromoleculari se pot forma spontan zone de concentrație crescută, care sunt relativ separate de mediul extern și pot menține schimbul cu acesta. Le-a numit picături coacervate sau pur și simplu coacervate.

În 1953, Stanley Miller a efectuat experimental sinteza abiogenă a aminoacizilor și a altor substanțe organice în condiții care reproduc condițiile Pământului primitiv. Există, de asemenea, o teorie a hiperciclurilor, conform căreia primele manifestări ale vieții au fost, respectiv, sub formă de hipercicluri - un complex de reacții catalitice complexe, ai căror produse de ieșire sunt catalizatori pentru reacțiile ulterioare.
În 2008, biologii americani au făcut un pas important spre înțelegerea etapelor inițiale ale originii vieții. Ei au reușit să creeze o „protocelulă” cu o înveliș de lipide și acizi grași simple, capabile să atragă nucleotidele activate din mediu - „blocurile de construcție” necesare sintezei ADN-ului.

Aspecte ale

Ipotezele evoluției chimice trebuie să explice diverse aspecte:
1. Începutul non-biologic al biomoleculelor, adică dezvoltarea lor din precursori nevii și, în consecință, anorganici.
2. Apariția sistemelor informatice chimice capabile de auto-replicare și auto-schimbare, adică apariția unei celule.
3. Apariția dependenței reciproce de funcție (enzime) și informație (ARN, ADN).
4. Condițiile mediului Pământului în perioada de acum 4,5 până la 3,5 miliarde de ani.

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

raţionament

Biomolecule
Sinteza prebiotică a compușilor complecși de molecule poate fi împărțită în trei etape succesive:
1. Apariția compușilor organici simpli (alcooli, acizi, compuși heterociclici: purine, pirimidine și piroli) din materiale anorganice.
2. Sinteza compușilor organici mai complecși - „biomolecule” - reprezentanți ai celor mai comune clase de metaboliți, inclusiv monomeri - unități structurale de biopolimeri (monozaharide, aminoacizi, acizi grași, nucleotide) din compuși organici simpli.
3. Apariția biopolimerilor complecși (polizaharide, proteine, acizi nucleici) din principalele unități structurale - monomeri.

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

La început, a avut loc formarea elementelor chimice în spațiu și apariția pământului din ele - acum aproximativ 4,56 miliarde de ani. Probabil că planeta noastră avea deja destul de devreme o atmosferă de hidrogen și heliu, care, totuși, s-au scurs treptat în spațiul cosmic. Astronomii presupun, de asemenea, că din cauza temperaturilor relativ ridicate și a efectelor vântului solar, o cantitate mică de elemente chimice ușoare (inclusiv carbon, azot și oxigen) ar putea rămâne pe Pământ și pe alte planete din apropierea Soarelui. Toate aceste elemente, care alcătuiesc astăzi partea principală a biosferei, au fost aduse de impacturile cometelor din părțile exterioare ale sistemului solar abia după o perioadă lungă de timp, când protoplanetele s-au răcit puțin. În primele câteva milioane de ani de la apariția sistemului solar, ciocnirile cu corpurile cerești s-au repetat în mod constant, iar ciocnirile provocate de acestea au distrus sistemele vii formate în acel moment. Prin urmare, apariția vieții ar putea începe numai după acumularea apei pentru o lungă perioadă de timp, cel puțin în cele mai adânci depresiuni.
Odată cu răcirea lentă a pământului, activitatea vulcanică (eliberarea de gaze din intestinele pământului) și distribuția globală a materialelor din cometele căzute, a apărut o a doua atmosferă terestră. Cel mai probabil, a constat din vapori de apă (H2O până la 80%), dioxid de carbon (CO2 până la 20%), hidrogen sulfurat (până la 7%), amoniac și metan. Procentul mare de vapori de apă se datorează faptului că suprafața pământului era la acea vreme încă prea fierbinte pentru formarea mărilor. În primul rând, molecule organice mici (acizi, alcooli, aminoacizi) s-au putut forma din apă, metan și amoniac în condițiile unui pământ tânăr, mai târziu - polimeri organici (polizaharide, grăsimi, polipeptide), care au fost instabile într-o atmosferă acidă. .
După ce atmosfera s-a răcit la o temperatură sub punctul de fierbere al apei, a venit o ploaie foarte lungă, care a format oceanele. Saturația altor gaze atmosferice în raport cu vaporii de apă a crescut. Iradierea ultravioletă ridicată a provocat descompunerea fotochimică a apei, metanului și amoniacului, ducând la acumularea de dioxid de carbon și azot. Gazele ușoare - hidrogen și heliu - au fost duse în spațiu, dioxidul de carbon dizolvat în cantități mari în ocean, oxidând apa. Valoarea pH-ului a scăzut la 4. Azotul inert și puțin solubil N2 s-a acumulat în timp și a format componenta principală a atmosferei în urmă cu aproximativ 3,4 miliarde de ani.
Precipitarea dioxidului de carbon dizolvat (carbonati) care a reactionat cu ionii metalici si dezvoltarea in continuare a fiintelor vii care au asimilat dioxidul de carbon a dus la scaderea concentratiei CO2 si la cresterea valorii pH-ului in corpurile de apa.
Oxigenul O2 a jucat un rol important în dezvoltarea ulterioară a atmosferei. S-a format odată cu apariția viețuitoarelor fotosintetice, probabil cianobacteriile (alge albastre-verzi) sau procariote similare. Asimilarea lor de dioxid de carbon a dus la o scădere suplimentară a acidității, dar saturația cu oxigen a atmosferei a rămas destul de scăzută. Motivul pentru aceasta este utilizarea imediată a oxigenului dizolvat în ocean pentru oxidarea ionilor divalenți de fier și a altor compuși oxidabili. În urmă cu aproximativ două miliarde de ani, acest proces s-a încheiat, iar oxigenul a început să se acumuleze treptat în atmosferă.
Oxigenul foarte reactiv oxidează cu ușurință biomoleculele organice susceptibile și devine astfel un factor de selecție a mediului pentru organismele timpurii. Doar câteva organisme anaerobe au putut să se deplaseze în spații de viață fără oxigen, cealaltă parte a dezvoltat enzime care fac ca oxigenul să nu fie periculos.
Acum un miliard de ani, conținutul de oxigen din atmosferă a depășit pragul de unu la sută și câteva milioane de ani mai târziu s-a format stratul de ozon. Conținutul de oxigen de astăzi de 21% a fost atins cu doar 350 de milioane de ani în urmă și a rămas stabil de atunci.

Importanța apei pentru originea vieții
H2O este un compus chimic prezent în condiții normale în toate cele trei stări de agregare.
Viața așa cum o cunoaștem (sau o definim) necesită apă ca solvent universal. Apa are un set de calități care fac viața posibilă. Nu există dovezi că viața poate apărea și poate exista independent de apă și este general acceptat că numai prezența apei în fază lichidă (într-o anumită zonă sau pe o anumită planetă) face ca viața să apară acolo.

Ilustrații

Orez. 1-2. Vulcanii terestre și de adâncime - precondiții probabile pentru apariția vieții pe Pământ

Unitatea originii vieții pe Pământ și motivele eterogenității și diversității organismelor vii

Efectuat:

student desigur

Facultatea de Geografie

gr. BI - 11

Frolova Alla Alexandrovna

Ulianovsk, 2014

Capitolul I. Unitatea de origine. 3

1. 1. Evoluție prebiologică (chimică). 3

1. 2. Principalele etape ale evoluţiei chimice. 3

Capitolul II. Cauzele eterogenității și diversității. 7

Cărți uzate. zece

Capitolul I. Unitatea de origine.

Evoluție prebiologică (chimică).

Potrivit majorității oamenilor de știință (în primul rând astronomi și geologi), Pământul s-a format ca corp ceresc în urmă cu aproximativ 5 miliarde de ani. prin condensarea particulelor unui nor de gaz și praf care se rotesc în jurul Soarelui.

Natura reducătoare a atmosferei primare a Pământului este extrem de importantă pentru originea vieții, deoarece substanțele în stare redusă în anumite condiții sunt capabile să interacționeze între ele, formând molecule organice. Absența oxigenului liber în atmosfera Pământului primar (practic tot oxigenul Pământului a fost legat sub formă de oxizi) este, de asemenea, o condiție prealabilă importantă pentru apariția vieții, deoarece oxigenul se oxidează ușor și, prin urmare, distruge compușii organici. Prin urmare, în prezența oxigenului liber în atmosferă, acumularea unei cantități semnificative de materie organică pe Pământul antic ar fi fost imposibilă.

Principalele etape ale evoluției chimice.

Când temperatura atmosferei primare atinge 1000°C, în ea începe sinteza moleculelor organice simple, cum ar fi aminoacizi, nucleotide, acizi grași, zaharuri simple, alcooli polihidroxici, acizi organici etc. Energia de sinteză este furnizată de descărcări de fulgere, activitate vulcanică, radiații spațiale dure și, în final, radiațiile ultraviolete ale Soarelui, de care Pământul nu este încă protejat de ecranul de ozon.

Când temperatura atmosferei primare a scăzut sub 100 ° C, ploi fierbinți au căzut pe Pământ și a apărut oceanul primar. Odată cu fluxurile de ploaie, substanțele organice sintetizate abiogen au pătruns în oceanul primar, ceea ce l-a transformat într-o „supă primară” diluată. Aparent, în oceanul primar încep procesele de formare din molecule organice simple - monomeri ai moleculelor organice complexe - biopolimeri.

Formarea de biopolimeri (în special, proteine ​​din aminoacizi) ar putea avea loc și în atmosferă la o temperatură de aproximativ 180°C. În plus, este posibil ca pe Pământul antic, aminoacizii să fi fost concentrați în rezervoare de uscare și polimerizați sub formă uscată sub influența luminii ultraviolete și a căldurii fluxurilor de lavă.

Polimerizarea nucleotidelor este mai ușoară decât polimerizarea aminoacizilor. S-a demonstrat că în soluții cu o concentrație mare de sare, nucleotidele individuale polimerizează spontan, transformându-se în acizi nucleici.

Viața tuturor ființelor vii moderne este un proces de interacțiune continuă a celor mai importanți biopolimeri ai unei celule vii - proteine ​​și acizi nucleici.

Astfel, misterul originii vieții este misterul apariției mecanismului de interacțiune dintre proteine ​​și acizi nucleici.

Unde a avut loc dezvoltarea unui proces complex de interacțiune între proteine ​​și acizi nucleici? Conform teoriei lui A.I. Oparin, așa-numitele picături coacervate au devenit locul de naștere al vieții.

Ipoteza apariției interacțiunii proteinelor și acizilor nucleici:

Fenomenul de coacervare este că în anumite condiții (de exemplu, în prezența electroliților), substanțele macromoleculare sunt separate din soluție, dar nu sub formă de precipitat, ci sub forma unei soluții mai concentrate - coacervat. Când este agitat, coacervatul se rupe în picături mici separate. În apă, astfel de picături sunt acoperite cu o înveliș de hidratare care le stabilizează (o înveliș de molecule de apă) - fig. 2.4.1.4.

Picăturile de coacervat au o oarecare aparență de metabolism: sub influența forțelor pur fizice și chimice, pot absorbi selectiv anumite substanțe din soluție și pot elibera produsele lor de degradare în mediu. Datorită concentrației selective de substanțe din mediul înconjurător, acestea pot crește, dar când ajung la o anumită dimensiune, încep să se „înmulțească”, înmugurire mici picături, care, la rândul lor, pot crește și „muguri”.

Picăturile coacervate rezultate din concentrarea soluțiilor proteice în procesul de amestecare sub acțiunea valurilor și a vântului pot fi acoperite cu o înveliș de lipide: o singură membrană asemănătoare micelelor de săpun (cu o singură desprindere a unei picături de pe suprafața apei acoperită). cu un strat lipidic), sau unul dublu asemănător cu o membrană celulară (cu căderea repetată a unei picături acoperite cu o membrană lipidică cu un singur strat pe un film lipidic care acoperă suprafața unui rezervor).

Procesele de apariție a picăturilor coacervate, creșterea și „mugurirea”, precum și „îmbrăcarea” lor cu o membrană dintr-un strat dublu lipidic sunt ușor de modelat în laborator.

Pentru picăturile coacervate, există și un proces de „selecție naturală” în care picăturile cele mai stabile rămân în soluție.

În ciuda asemănării exterioare a picăturilor coacervate cu celulele vii, picăturilor coacervate le lipsește semnul principal al unui lucru viu - capacitatea de auto-reproducere precisă, autocopiere. Evident, precursorii celulelor vii au fost astfel de picături coacervate, care includeau complexe de molecule replicatoare (ARN sau ADN) și proteinele pe care le codifică. Este posibil ca complexele ARN-proteină să fi existat multă vreme în afara picăturilor coacervate sub forma așa-numitei „gene de viață liberă”, sau este posibil ca formarea lor să fi avut loc direct în interiorul unor picături coacervate.

Din punct de vedere istoric, procesul extrem de complex al originii vieții pe Pământ, care nu este pe deplin înțeles de știința modernă, a trecut extrem de repede. Timp de 3,5 miliarde de ani, așa-numitul. evoluția chimică s-a încheiat cu apariția primelor celule vii și a început evoluția biologică . (URL: http://www.grandars.ru/shkola/geografiya/proishozhdenie-zhizni (data accesării: 28.09.2014).

În anii 60 ai secolului XX, s-a stabilit experimental că, în cursul evoluției chimice, au fost selectate acele structuri chimice care au contribuit la creșterea bruscă a activității și selectivității catalizatorilor. Acest lucru a permis profesorului de la Universitatea de Stat din Moscova A.P. Rudenko în 1964 teoria autodezvoltării sistemelor catalitice deschise, care poate fi considerată pe bună dreptate o teorie generală a chimio- și biogenezei. Esența acestei teorii este că evoluția chimică este o auto-dezvoltare a sistemelor catalitice și, în consecință, catalizatorii sunt substanța în evoluție.

A.P. Rudenko a formulat și legea de bază a evoluției chimice: cu cea mai mare viteză și probabilitate se formează acele căi de modificări evolutive ale catalizatorului, pe care are loc creșterea maximă a activității sale absolute.

Autodezvoltarea, autoorganizarea sistemelor pot apărea numai datorită unui aflux constant de energie, a cărei sursă este principala, adică. reacție de bază. De aici rezultă că sistemele catalitice care se dezvoltă pe baza de exotermic reactii.

Perioada de timp a evoluției chimice.În primele etape ale evoluției chimice ale lumii, cataliza a fost absentă. Primele manifestări ale catalizei încep când temperatura scade la 5000°K și mai jos și se formează solidele primare. De asemenea, se crede că atunci când perioada de pregătire chimică, i. perioada transformărilor chimice intense și variate a fost înlocuită cu o perioadă de evoluție biologică, evoluția chimică, parcă, a înghețat.

Valoarea aplicată a chimiei evolutive. Chimia evolutivă nu numai că ajută la dezvăluirea mecanismului de biogeneză, dar vă permite și să dezvoltați un nou control al proceselor chimice, care implică aplicarea principiilor sintezei moleculelor similare și crearea de noi catalizatori puternici, inclusiv biocatalizatori - enzime și aceasta, la rândul său, este cheia pentru soluționarea problemelor de creare a proceselor industriale cu deșeuri reduse, zero deșeuri și economisind energie.

Înapoi la începutul documentului

Teorii despre originea vieții

Cele mai cunoscute teorii despre originea vieții pe Pământ sunt următoarele.

creaţionismul. Potrivit acestei teorii, viața a fost creată de o ființă supranaturală, Dumnezeu, la un moment dat. Acest punct de vedere este susținut de adepții aproape tuturor învățăturilor religioase. Cu toate acestea, chiar și printre ei nu există un punct de vedere unic asupra acestei probleme, în special asupra interpretării ideii tradiționale creștin-evreiești despre crearea lumii (Cartea Genezei). Unii înțeleg literalmente Biblia și cred că lumea și toate organismele vii care o locuiesc au fost create în șase zile cu durata de 24 de ore ( în 1650, arhiepiscopul Ussher, însumând vârstele tuturor oamenilor menționați în genealogia biblică, a calculat că Dumnezeu a început să creeze lumea în octombrie 4004 î.Hr. și și-a terminat munca pe 23 decembrie, la ora 9 dimineața, creând un bărbat. În același timp, însă, se dovedește că Adam a fost creat într-un moment în care o civilizație urbană bine dezvoltată exista deja în Orientul Mijlociu.). Alții nu tratează Biblia ca pe o carte științifică și cred că principalul lucru în ea este revelația divină despre crearea lumii de către Creatorul atotputernic într-o formă pe înțelesul oamenilor din lumea antică. Cu alte cuvinte, Biblia nu răspunde la întrebările „cum?” și „când?”, dar răspunde la întrebarea „de ce?”. Într-un sens larg, creaționismul permite astfel atât crearea lumii în forma sa finită, cât și crearea unei lumi care evoluează conform legilor stabilite de Creator.

Procesul de creație divină a lumii este conceput ca având loc o singură dată și, prin urmare, inaccesibil observației. Cu toate acestea, pentru credincios, adevărul teologic (divin) este absolut și nu necesită dovezi. În același timp, pentru un adevărat om de știință, adevărul științific nu este absolut, el conține întotdeauna un element de ipoteză. Astfel, conceptul de creaționism este scos automat din sfera cercetării științifice, întrucât știința se ocupă doar de acele fenomene care pot fi observate, pot fi confirmate sau respinse în cursul cercetării (principiul falsificabilității teoriilor științifice). Cu alte cuvinte, știința nu poate dovedi sau infirma niciodată creaționismul.

Generatie spontana. Conform acestei teorii, viața a apărut și ia naștere în mod repetat din materia neînsuflețită. Această teorie a fost răspândită în China antică, Babilon, Egipt. Aristotel, care este adesea numit fondatorul biologiei, dezvoltând afirmațiile anterioare ale lui Empedocle despre evoluția viețuitoarelor, a aderat la teoria generării spontane a vieții. El credea că „... viețuitoarele pot apărea nu numai prin împerecherea animalelor, ci și prin descompunerea solului”. Odată cu răspândirea creștinismului, această teorie a ajuns în același „clip” blestemat de biserică cu ocultism, magie, astrologie, deși a continuat să existe undeva pe fundal până când a fost infirmată experimental în 1688 de către biologul și medicul italian Francesco. Redi. Principiul „Viitul se naște numai din viețuitoare” a primit în știință denumirea de Principiul Redi. Așa s-a dezvoltat conceptul de biogeneză, conform căruia viața poate apărea doar dintr-o viață anterioară. La mijlocul secolului al XIX-lea, L. Pasteur a infirmat în cele din urmă teoria generației spontane și a dovedit validitatea teoriei biogenezei.

Teoria panspermiei. Potrivit acestei teorii, viața a fost adusă pe Pământ din exterior, prin urmare, în esență, nu poate fi considerată o teorie a originii vieții ca atare. Nu oferă nici un mecanism pentru explicarea originii vieții, ci pur și simplu suportă problema originii vieţii altundeva în univers.

Teoria evoluției biochimice. Viața a apărut în condițiile specifice ale Pământului antic ca urmare a unor procese care se supun legilor fizice și chimice.

Această din urmă teorie reflectă opiniile moderne ale științelor naturale și, prin urmare, va fi luată în considerare mai detaliat.

Conform datelor științei moderne, vârsta Pământului este de aproximativ 4,5 - 5 miliarde de ani. În trecutul îndepărtat, condițiile de pe Pământ erau fundamental diferite de cele moderne, ceea ce a dus la un anumit curs de evoluție chimică, care a fost o condiție prealabilă pentru apariția vieții. Cu alte cuvinte, evoluția biologică în sine a fost precedată de prebiotic evoluție asociată cu trecerea de la materia anorganică la cea organică și apoi la formele elementare de viață. Acest lucru a fost posibil în anumite condiții care au avut loc pe Pământ la acea vreme, și anume:

temperatură ridicată, aproximativ 4000 ° C, atmosferă formată din vapori de apă, CO 2, CH 3, NH 3, prezența compușilor sulfuri (activitate vulcanică), activitate electrică ridicată a atmosferei, radiații ultraviolete ale Soarelui, care au ajuns liber în partea inferioară. straturile atmosferei și suprafața Pământului, deoarece stratul de ozon nu s-a format încă.

Trebuie subliniată una dintre cele mai importante diferențe dintre teoria evoluției biochimice și teoria generării spontane (spontane), și anume: conform acestei teorii viața a apărut în condiții improprii pentru biota modernă!

Înapoi la începutul documentului

Ipoteza Oparin-Haldane. În 1923, a apărut celebra ipoteză a lui Oparin, care se rezuma la următoarele: primele hidrocarburi complexe puteau să apară în ocean din compuși mai simpli, să se acumuleze treptat și să ducă la apariția unei „supe primare”. Această ipoteză a câștigat rapid greutatea unei teorii. Trebuie spus că studiile experimentale ulterioare au mărturisit validitatea unor astfel de presupuneri. Așadar, în 1953, S. Miller, după ce a simulat condițiile așteptate ale Pământului antic (temperatură ridicată, radiații ultraviolete, descărcări electrice), a sintetizat în laborator 15 aminoacizi care alcătuiesc vii, niște zaharuri simple (riboză). Ulterior, au fost sintetizați acizi nucleici simpli (Ordzhel). În prezent, toți cei 20 de aminoacizi care formează baza vieții au fost sintetizați.

Oparin a sugerat că rolul decisiv în transformarea neînsuflețitului în vii revine proteinelor. Proteinele sunt capabile să formeze complexe hidrofile: moleculele de apă formează o înveliș în jurul lor. Acești complecși se pot separa de faza apoasă și pot forma așa-numitele coacervate (<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.

(Omul de știință englez Haldane (Universitatea din Cambridge) și-a publicat ipoteza în 1929, conform căreia viața a apărut și pe Pământ ca urmare a proceselor chimice din atmosfera Pământului bogată în dioxid de carbon, iar primele ființe vii au fost poate „molecule uriașe” Nu sunt menționate nici complexe hidrofile, nici coacervate, dar numele său este adesea menționat lângă numele de Oparin, iar ipoteza a fost numită ipoteza Oparin-Haldane.)

Rolul decisiv în apariția vieții a fost atribuit ulterior apariției mecanismului de replicare a moleculei de ADN. Într-adevăr, orice combinație arbitrar complexă de aminoacizi și alți compuși organici complecși nu este încă viață. La urma urmei, cea mai importantă proprietate a vieții este capacitatea ei de a se reproduce. Problema aici este că ADN-ul în sine este „neputincios”, poate funcționa numai în prezenţa proteinelor enzimatice(de exemplu, o moleculă de ADN polimerază care „desfășoară” o moleculă de ADN, pregătind-o pentru replicare). Rămâne o întrebare deschisă cum ar putea apărea spontan astfel de „mașini” complexe precum ADN-ul primordial și complexul complex de proteine ​​​​-enzime necesare funcționării sale.

Recent, ideea originea vieții bazată pe ARN , adică primele organisme ar putea fi ARN, care, după cum arată experimentele, poate evolua chiar și într-o eprubetă. Sunt respectate condițiile de evoluție a unor astfel de organisme în timpul cristalizării argilei . Aceste ipoteze se bazează, în special, pe faptul că, în timpul cristalizării argilelor, fiecare strat nou de cristale se aliniază în conformitate cu caracteristicile celui precedent, ca și cum ar primi informații despre structura de la acesta. Acest lucru seamănă cu mecanismul de replicare a ARN-ului și ADN-ului. Astfel, reiese că evoluția chimică a început cu compuși anorganici, iar primii biopolimeri ar putea fi rezultatul reacțiilor autocatalitice. molecule mici aluminosilicati de argila.

Înapoi la începutul documentului

Hiperciclurile și originea vieții. Conceptul de autoorganizare poate contribui la o mai bună înțelegere a proceselor de origine și evoluție a vieții, pe baza teoriei evoluției chimice a lui Rudenko, considerată mai devreme, și a ipotezei fizicochimistului german M. Eigen. Potrivit acestuia din urmă, procesul de apariție a celulelor vii este strâns legat de interacțiune nucleotide ( nucleotide - elemente ale acizilor nucleici - citozina, guanina, timina, adenina), care sunt purtători materiale de informații , și proteine ​​(polipeptide [ 1] ) servind drept catalizatori reacții chimice. În procesul de interacțiune, nucleotidele, sub influența proteinelor, se reproduc și transmit informații proteinei care le urmează, astfel încât să existe circuit autocatalitic închis , pe care M. Eigen l-a numit hiperciclu . În cursul evoluției ulterioare, din ele apar primele celule vii, mai întâi nenucleare (procariote), apoi cu nuclee - eucariote.

Aici, după cum vedem, există o legătură logică între teoria evoluției catalizatorilor și conceptul de lanț autocatalitic închis. În cursul evoluției, principiul autocatalizei este completat de principiul auto-reproducției întregului proces organizat ciclic în hipercicluri, propus de M. Eigen. Reproducerea componentelor hiperciclurilor, precum și combinarea lor în noi hipercicluri, este însoțită de o creștere a metabolismului asociată cu sinteza moleculelor cu energie înaltă și excreția moleculelor sărace în energie ca „deșeuri”. ( Aici este interesant de observat caracteristicile virușilor ca formă intermediară între viață și non-viață:sunt lipsiți de capacitatea de a metaboliza și, invadând celulele, încep să-și folosească sistemul metabolic). Deci, conform lui Eigen, există o competiție de hipercicluri, sau cicluri de reacții chimice care duc la formarea de molecule de proteine. Ciclurile care funcționează mai rapid și mai eficient decât restul „câștigă” competiția.

Astfel, conceptul de autoorganizare face posibilă stabilirea unei legături între lucrurile vii și nevii în cursul evoluției, astfel încât apariția vieții să nu pară a fi pur întâmplătoare și o combinație extrem de improbabilă de condiții și premise. pentru aspectul ei. În plus, viața însăși pregătește condițiile pentru evoluția ei ulterioară.

Înapoi la începutul documentului

întrebări de testare

1. Enumerați principalele etape ale formării planetare în conformitate cu modelul rotațional. 2. Ce trăsături comune ale planetelor sistemului solar indică o singură origine a planetelor? 3. Explicați abundența elementelor chimice din sistemul solar. 4. Cum a avut loc diferențierea materiei Pământului? Explicați structura pământului. 5. Ce este geocronologia?

6. În ce părți (după gradul de cunoaștere) este împărțită istoria Pământului? 7. Ce elemente se numesc organogeni și de ce? 8. Ce elemente formează compoziția chimică a sistemelor vii? 9. Ce este auto-organizarea? 10. Care este esența substratului și a abordărilor funcționale ale problemei auto-organizării sistemelor chimice?

11. Ce este chimia evolutivă? 12. Ce se poate spune despre selecția naturală a elementelor chimice și a compușilor acestora în cursul evoluției chimice? 13. Ce înseamnă autodezvoltarea sistemelor catalitice? 14. Care este valoarea aplicată a chimiei evolutive? 15. Enumeraţi principalele teorii ale originii vieţii.

16. Ce este creaționismul? Poate fi infirmat creaționismul? Explică-ți răspunsul. 17. Care este punctul slab al teoriei panspermiei? 18. Prin ce diferă teoria evoluției biochimice de teoria originii spontane (spontane) a vieții? 19. Ce condiții sunt considerate necesare pentru apariția vieții ca urmare a evoluției biochimice? 20. Ce este evoluția prebiotică?

21. Ce este ipoteza Oparin-Haldane? 22. Care este principala problemă în explicarea trecerii de la „neviu” la „viu”? 23. Ce este un hiperciclu?

Literatură

1. Dubnishcheva T.Ya. Concepte ale științelor naturale moderne. - Novosibirsk: YuKEA, 1997. 2. Kuznetsov V.N., Idlis G.M., Gutina V.N. Științele naturii. - M.: Agar, 1996. 3. Gryadovoy D.N. Concepte ale științelor naturale moderne. Cursul structural al fundamentelor științelor naturale. - M.: Uchped, 1999. 4. Concepte de științe naturale moderne / ed. SI. Samygin. - Rostov n/a: Phoenix, 1997. 5. Yablokov A.V., Yusufov A.G. doctrina evoluționistă. - M.: Liceu, 1998. 6. Ruzavin G.I. Concepte ale științelor naturale moderne. - M.: „Cultură şi sport”, UNITI, 1997. 7. Solopov E.F. Concepte ale științelor naturale moderne. – M.: Vlados, 1998.

8. Nudelman R. Paradoxul cambrian. - „Cunoașterea este putere”, august, septembrie-octombrie 1988.

[ 1] polipeptidele sunt un lanț lung de aminoacizi

Înapoi la începutul documentului

Drepturile de distribuire și utilizare a cursului îi aparțin Universitatea Tehnică de Aviație de Stat Ufa

Evoluția chimică este un proces de modificări ireversibile care duc la apariția de noi compuși chimici - produse mai complexe și mai mult organizate în comparație cu substanțele originale. Aceste procese au început să fie investigate activ și intenționat în anii 1970. în legătură cu studiul problemei de a deveni constant procese chimice mai complexe la un nivel care a contribuit la apariția materiei vii pe Pământ. Interesul pentru aceste procese se întoarce la încercările de lungă durată de a înțelege modul în care organicul, și apoi viața, ia naștere din materia anorganică. Primul care a realizat ordinea ridicată și eficiența proceselor chimice în organismele vii a fost fondatorul chimiei organice Y.Ya. Berzelius (sfârșitul secolului al XVIII-lea - începutul secolului al XIX-lea). El a stabilit că baza laboratoarelor unui organism viu este biocataliza. O mare importanță a fost acordată experienței catalitice a naturii vii în secolul al XX-lea. Deci, academicianul N.N. Semenov a considerat procesele chimice care au loc în țesuturile plantelor și animalelor ca un fel de „producție chimică” a naturii vii.

Să luăm în considerare pe scurt etapele evoluției chimice. Probabil, ar trebui recunoscut că a început cu apariția celui mai simplu purtător - atomul. Conform conceptului de Big Bang, elementele chimice care există acum, au apărut în procesul de evoluție a Universului de la o stare superdensă și superfierbintă la lumea modernă a stelelor și galaxiilor. Se presupune că cei mai simpli atomi (sau mai degrabă, nucleele lor) de hidrogen au fost primii formați. La aproximativ 1 s după Big Bang, densitatea materiei a scăzut la 1 t/cm 3 , temperatura la 100 miliarde K, iar diametrul a crescut la 1500 miliarde km. Substanța se afla în starea unei plasme complet ionizate, formată din nucleoni (protoni și neutroni) și electroni. După alte 10 s, când temperatura a scăzut la 10 miliarde K, au apărut condițiile pentru ca reacția nucleară să formeze deuteroni - nuclee de deuteriu (hidrogen greu).

Cu toate acestea, la această temperatură, echilibrul acestei reacții este puternic deplasat la stânga (se deplasează la dreapta doar la o temperatură de 1 miliard K - aproximativ 100 s după Big Bang), iar deuteronii nu s-au putut acumula, deoarece sub aceștia condițiile în care se transformă în nuclee de heliu (această schemă este destul de satisfăcătoare explică cantitatea de heliu din universul nostru). În stadiul prestelar al dezvoltării materiei, nucleele altor elemente chimice nu se formează, deoarece densitatea și temperatura Universului în expansiune scad rapid. În acest caz, procesul de formare a lui 4 He (figura din stânga sus este masa atomică relativă, adică masa atomului, exprimată în unități de masă atomică, care este 1/12 din masa izotopului de carbon cu un număr de masă de 12-1,6605655 (86) 10 "27 kg), începând cu aproximativ 2 minute după Big Bang, se oprește până la sfârșitul celui de-al 4-lea minut. Când Universul se răcește la o temperatură de 3500 K (după aproximativ 1 milion ani), nucleele de heliu și nucleele de hidrogen rămase se recombină cu electroni: atomii se formează heliu și hidrogen - materialul sursă pentru gazul interstelar și sistemele stelare.

Sinteza ulterioară a elementelor chimice continuă în interiorul stelelor pe măsură ce temperatura crește. În procesul de condensare a gazului interstelar constând din hidrogen și heliu într-o protostea, ca urmare a compresiei gravitaționale, temperatura crește și reacția de formare a heliului din hidrogen devine din nou posibilă. Această etapă se caracterizează prin temperaturi care nu depășesc 20 106 K.

După nucleele de heliu, nucleele 12 C și 16 O sunt cele mai stabile.Epoca termonucleară de formare a unor astfel de nuclee (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.

Se poate presupune cu un grad ridicat de probabilitate că mai multe etape ale fuziunii nucleare s-au schimbat în sistemul solar. Compararea compoziției chimice a Soarelui și a compoziției chimice a materiei stelare ne permite să concluzionam că toate procesele de sinteză nucleară descrise mai sus au avut loc în Sistemul Solar, iar masa inițială a stelei formată în secțiunea noastră de Galaxie a depășit cea critică (egal cu 1,44 mase solare) și s-a dovedit a fi instabilă. Sub influența atracției gravitaționale, protostea s-a contractat, temperatura i-a crescut, oferind primele etape ale fuziunii nucleare. Energia eliberată în acest caz s-a dovedit a fi prea mare, în urma căreia, după un timp, a avut loc o explozie și s-au format nucleele celor mai grele elemente. Masa stelei a scăzut din cauza ejecției de materie. Acest proces a fost repetat de mai multe ori până când masa stelei masive centrale a fost sub limita critică. Un astfel de mecanism asigură un interval de timp suficient pentru evoluția chimică, geologico-geografică și biologică.

În prezent, mulți cercetători cred că planetele sistemului solar s-au format din materie solară ejectată de Soare când a devenit o supernovă. Răcirea nebuloasei gazoase în formă de disc care s-a format în jurul Soarelui a făcut posibilă combinarea atomilor în molecule, adică. a început evoluția chimică.

Moleculele nu s-au putut forma la temperaturi stelare, când majoritatea atomilor există sub formă de ioni cu încărcare multiplă (de exemplu, în coroana solară la 1 milion K, atomii de fier sunt ioni de Fe 13+). Moleculele diatomice se găsesc doar în spectrele celor mai reci stele cu o temperatură la suprafață de 2000-3000 K (oxizi de Al, Mg, Ti, Zr, C, Si și alte câteva molecule diatomice cu cea mai puternică legătură chimică). În același timp, un număr mare de molecule, inclusiv destul de complexe, sunt prezente în spațiul interstelar. Se presupune că compoziția acestor molecule corespunde compoziției primelor molecule formate ca urmare a răcirii materiei stelare. Au fost găsite și alte molecule, dar în cantități mult mai mici.

Când temperatura nebuloasei protoplanetare a scăzut la 1000-1800 K, acestea au început să se condenseze, adică. devin lichide și solide, s-au format cele mai refractare substanțe, în special, picături de fier, iar ulterior silicați (sărurile acizilor silicici).

La temperaturi de 400–1000 K, alte metale și compușii lor cu sulf și oxigen s-au condensat. Picăturile înghețate de material silicat sub formă de condrule (corpi sferici mici) au format, aparent, în timpul condensării ulterioare, mulți asteroizi - corpurile primare ale meteoriților de condrită. Se poate presupune că, ca urmare a diferențierii gazului primar sub acțiunea vântului solar (ieșirea plasmei coroanei solare în spațiul interplanetar) și a gradientului de temperatură, atomii celor mai ușoare elemente au fost aruncați la periferia sistemul solar și planetele terestre situate mai aproape de Soare au apărut prin îngroșarea fracțiunii la cea mai mare temperatură cu conținut ridicat de fier.

Odată cu formarea Pământului ca planetă, evoluția Pământului a început să influențeze evoluția chimică. Această influență a fost exprimată (și se exprimă în prezent) în modificarea distribuției concentrației elementelor chimice în corpul Pământului și în învelișurile sale (în atmosferă, hidrosferă, crustă, manta, miez), precum și în crearea condițiilor (temperatura , presiune) pentru formarea de noi substanţe .

Desigur, a avut loc și efectul opus. Formarea de noi substanțe și apariția oportunităților pentru noi procese chimice a determinat formarea de noi formațiuni geologice, precum rocile sedimentare. Astfel, evoluția geologică și cea chimică se desfășoară în mare măsură împreună, influențându-se reciproc. Evoluția chimică a dus la apariția vieții. Acest lucru sa întâmplat datorită dezvoltării nu a substanțelor, ci a sistemelor și proceselor chimice care au loc în ele.

Metodologie pentru studiul evoluției chimice (teoria)

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

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

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

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

Abiogeneza

În sens larg, abiogeneza este apariția viețuitoarelor din lucruri nevii, adică ipoteza inițială a teoriei moderne a originii vieții. În anii 1920, academicianul Oparin a sugerat că în soluțiile de compuși macromoleculari, spontan se formează zone de concentrare crescută, care sunt relativ separate de mediul extern și pot menține un schimb cu acesta. I-a sunat Coacervați picăturile, sau pur și simplu coacervează.

Prezentare generală a subiectului

Ipotezele evoluției chimice ar trebui să explice următoarele aspecte:

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

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

• Harold Urey și Stanley Miller în 1953: Apariția unor biomolecule simple într-o atmosferă antică simulată.
• Sydney Fox: Microsfere din protenoizi.
• Thomas Check (Universitatea din Colorado) și Sydney Altman (Universitatea din Yale, New Haven, Connecticut) în 1981: Fisiunea ARN autocatalitică: „Ribozimele” combină cataliza și informația într-o moleculă. Ei sunt capabili să se taie singuri din lanțul mai lung de ARN și să se unească din nou la capetele rămase.
• Walter Gilbert (Harvard, Universitatea din Cambridge) dezvoltă în 1986 ideea unei lumi ARN.
• Gunther von Kiedrowski (Ruhr-University Bochum) prezintă în 1986 primul sistem de autoreplicare bazat pe ADN, o contribuție importantă la înțelegerea funcțiilor de creștere ale sistemelor de autoreplicare.
• Manfred Eigen (Institutul Max Planck, Facultatea de Chimie Biofizică, Göttingen): Evoluția ansamblurilor de molecule de ARN. Hiperciclu.
• Julius Rebeck (Cambridge) creează o moleculă artificială (Aminoadenosintriazidester) care se auto-replica în soluție de cloroform. Copiile sunt încă identice cu modelul, așa că evoluția este imposibilă pentru aceste molecule.
• John Corlis (Goddard Space Flight Center - NASA): Izvoarele termale ale mărilor furnizează energia și substanțele chimice care fac posibilă evoluția chimică independentă de mediul spațial. Chiar și astăzi, ele sunt mediul de viață pentru arheobacterii (Archaea), care au fost inițial în multe feluri.
• Günther Wächtershäuser (ur. Gunter_Wächtershauser ) (München): Pe suprafața piritei au apărut primele structuri autoreplicabile cu metabolism. Pirita (sulfura de fier) ​​a furnizat energia necesară pentru aceasta. La creșterea și din nou descompunerea cristalelor de pirit, aceste sisteme s-au putut dezvolta și se înmulți, iar diferitele populații s-au confruntat cu diferite condiții de mediu (condiții de selecție).
• A. G. Cairns-Smith (Universitatea din Glasgow) și David K. Mauerzall (Rockefeller-Universität New York, New York) văd în mineralele argiloase un sistem care este el însuși supus evoluției chimice la început, ceea ce dă naștere la multe diferite, auto-replicabile. cristale.. Aceste cristale atrag molecule organice cu sarcina lor electrică și catalizează sinteza biomoleculelor complexe, iar cantitatea de informații a structurilor cristaline servește mai întâi ca matrice. Acești compuși organici devin din ce în ce mai complexi până când se pot înmulți fără ajutorul mineralelor argiloase.
• Wolfgang Weigand, Mark Derr și colab. (Facultatea de Biogeochimie a Institutului Max Planck, Jena) au arătat în 2003 că sulfura de fier poate cataliza sinteza amoniacului din azotul molecular.

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

Preliminarii

Biomolecule

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

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

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

Posibile surse anorganice de elemente:

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

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

Dezvoltarea atmosferei antice

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

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

Semne de activitate vulcanică: depozite de sulf pe marginile craterului Halema'uma'u din Mauna Loa din Hawaii

Erupția vulcanică este cea mai spectaculoasă formă de activitate vulcanică

Odată cu răcirea lentă a pământului, activitatea vulcanică (eliberarea de gaze din intestinele pământului) și distribuția globală a materialelor din cometele căzute, a apărut o a doua atmosferă terestră. Cel mai probabil, a constat din vapori de apă (H 2 O până la 80%), dioxid de carbon (CO 2; până la 20%), hidrogen sulfurat (până la 7%), amoniac și metan. Procentul mare de vapori de apă se datorează faptului că suprafața pământului era la acea vreme încă prea fierbinte pentru formarea mărilor. În primul rând, din apă, metan și amoniac s-au putut forma mici molecule organice (acizi, alcooli, aminoacizi) în condițiile unui pământ tânăr, ulterior și polimeri organici (polizaharide, grăsimi, polipeptide), care erau instabile în atmosferă acidă. .

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

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

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

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

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

Importanța apei pentru originea și conservarea vieții

H 2 O este un compus chimic prezent în condiții normale în toate cele trei stări de agregare.

Deși acest lucru a arătat posibilitatea formării naturale a moleculelor organice, aceste rezultate sunt uneori criticate astăzi. În experimentul cu supa primordială, se presupunea că atmosfera din acea vreme avea un caracter alcalin, care corespundea ideilor științifice ale vremii. Astăzi, pe de altă parte, se presupune natura ușor alcalină sau chiar neutră a atmosferei, deși problema nu a fost încă rezolvată definitiv și se discută și deviațiile chimice locale ale condițiilor atmosferice, de exemplu, în vecinătatea vulcanilor. Experimentele ulterioare au demonstrat posibilitatea aparitiei moleculelor organice chiar si in aceste conditii, chiar si cele care nu au fost obtinute in primele experimente, ci in cantitati mult mai mici. Acest lucru susține adesea că originea moleculelor organice într-un mod diferit a jucat cel puțin un rol suplimentar. Sunt prezentate și teorii despre originea substanțelor organice din vecinătate.

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

Reacții ulterioare

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

Din riboză, adenină și trifosfat, apare adenozin trifosfat (ATP), care este utilizat în organisme ca purtător de energie universal și element de construcție (sub formă de monofosfat) al acizilor ribonucleici (ARN).

Implicarea mineralelor și rocilor

• Suprafețele cristaline pot servi ca o matrice pentru creșterea macromoleculelor. În acest caz, diferite suprafețe cristaline pot lega anumiți enantiomeri ai moleculelor. Aminoacizii L și D sunt atașați în locuri diferite ale cristalului de calcit.
• Aaron Kachalssky (Institutul Weizmann, Israel) a arătat că într-o soluție apoasă care conține montmorillonit (unul dintre mineralele de argilă), este posibil să se sintetizeze proteine ​​cu o lungime a lanțului de peste 50 de aminoacizi, cu un randament de aproape 100%.
• Ionii metalici pot acționa ca catalizatori, donatori de electroni sau pot fi încorporați în biomolecule.
• Mineralele argiloase din soluții apoase poartă adesea o sarcină electrică de suprafață și astfel pot atrage și reține molecule organice încărcate opus.
• Moleculele de compuși organici din microcavitățile rocilor sunt protejate de iradierea ultravioletă.

teoria lui Wächterhäuser

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

Bacteriile anaerobe, al căror metabolism are loc cu participarea fierului și a sulfului, există și astăzi.

Intercreșterea cristalelor de sulfură de fier FeS 2

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

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

Alte metale, cum ar fi fierul, formează și sulfuri insolubile. În plus, pirita și alte minerale fier-sulf au o suprafață încărcată pozitiv, pe care biomoleculele încărcate predominant negativ (acizi organici, esteri fosforici, tioli) pot fi localizate, concentrate și reacționate între ele. Substanțele necesare pentru aceasta (hidrogen sulfurat, monoxid de carbon și săruri feroase) cad din soluție pe suprafața acestei „lumi fier-sulf”. Wächterhäuser se bazează pe mecanismele fundamentale existente ale metabolismului pentru teoria sa și derivă din acestea un scenariu închis pentru sinteza moleculelor organice complexe (acizi organici, aminoacizi, zahăr, baze azotate, grăsimi) din compuși anorganici simpli găsiți în gazele vulcanice (NH). 3, H2, CO, C02, CH4, H2S).

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

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

Formarea macromoleculelor

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

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

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

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

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

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

Energie + + + H 2 O (H-X-OH = monomer cum ar fi aminoacid sau riboza)

H 2 O + Energie (dacă apare R = H uree)

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

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

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

Formarea structurilor prebiotice (precursori celulari)

Celulele își mențin funcțiile furnizând medii de reacție limitate pentru a separa procesele metabolice unele de altele și pentru a exclude reacțiile nedorite. Diferențele de concentrare pot fi create în același timp.

coacervează

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