Человек — сложная сущность, которая, помимо удовлетворения своих основных потребностей, также нуждается в объяснении своего существования и происхождения. Из этого вытекают различные постулаты, от религиозных и философских областей до научных. В рамках научной традиции была выдвинута теория молекулярной эволюции. хемосинтетическая теорияВ основе гипотезы лежат исследования ученых Александра Опарина и Джона Холдейна, которые, несмотря на то, что не работали вместе, пришли к одной и той же гипотезе. Эта гипотеза, сформулированная Опариным и Холдейном в 1920-х годах (1924 году в классическом понимании), продолжает основы, заложенные в теории Большого взрыва, противостоит теории самопроизвольного зарождения и предлагает альтернативу религиозным теориям происхождения жизни.
Что устанавливает хемосинтетическая теория?
La хемосинтетическая теория происхождения жизни утверждает, что водород (H)2Присутствовавшие в первобытной атмосфере вещества реагировали с атомами углерода, азота или кислорода, образуя... Питательный бульон, богатый простыми органическими соединениями.Этот бульон, также называемый примитивный суп o суп для первенцевПри контакте с различными источниками первобытной энергии (молния, ультрафиолетовое излучение, вулканическое тепло) возникло несколько аминокислотыЭти молекулы составляют основные строительные блоки органической жизни. В течение огромных промежутков времени эти молекулы объединялись, организовывались и становились все более сложными, пока не образовали... молекулярные агрегаты с метаболической активностьюТо есть, системы, способные выполнять процессы, аналогичные тем, которые происходят у простейших живых организмов сегодня.
Иными словами, хемосинтетическая теория предполагает, что в условиях атмосферы и энергии, которые доминировали на Земле в течение первых миллиардов лет её существования, начался процесс зарождения жизни на основе углерода. абиотический синтез органических молекулСо временем эти молекулы образовались. организованные структуры (коацерваты, протобионты, белковые микросферы, сульфобиоиды, по мнению разных авторов), которые постепенно приобретали такие свойства, как питание, выделение, размножение и хранение генетической информации, что позволило появиться первым клеткам.
Хемосинтетическая теория: как возникла жизнь на Земле?
Согласно наиболее широко принятой космологической теории, Вселенная возникла из чрезвычайно плотного и горячего состояния, и со временем сформировались галактики, звезды и планеты. В этом контексте... Первобытная земля Она возникла из большого облака водородного газа и других легких элементов. Одновременно сформировались Солнце и другие планеты Солнечной системы, и молодая планета пережила период интенсивной геологической и вулканической активности.
Сначала Температура Земли Температура была очень высокой, но постепенно она понизилась, и... примитивные океаны от конденсации водяного пара. В то время атмосфера сильно отличалась от современной: в ней преобладали... водяной пар, el метан (СН4) аммиак (NH3) диоксид углерода (CO2) И молекулярный водород (H2Эта смесь газов составляла атмосферу преимущественно... редукторЭто сильно отличается от нынешней окислительной атмосферы, богатой кислородом.
В отличие от того, что происходит сегодня, на том начальном этапе не было озоновый слой Сегодня эта система защищает поверхность Земли от большей части ультрафиолетового излучения. Поэтому все виды излучения достигали поверхности Земли напрямую, включая ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Кроме того, интенсивная вулканическая активность, падения метеоритов и частые грозы также внесли свой вклад. огромные объемы энергииВ этом крайне динамичном и энергичном сценарии первые органические соединения в первобытных океанах — такие как простые углеводы, липиды y аминокислоты– они могли формироваться и разрушаться снова и снова, пока, наконец, некоторые комбинации не достигали определенного результата. химическая стабильность что способствовало его накоплению и эволюции.
На протяжении миллионов лет эти вещества химически соединялись друг с другом, образуя все более сложные молекулы которые, по мнению Опарина, были ограничены своего рода спонтанная мембранаЭти группы молекул, обладающие определенной степенью организации и отделенности от среды, назывались протобионтыСуществование этих примитивных систем длилось бы долгое время, и на протяжении поколений некоторые из них приобрели бы характеристики живых существ, такие как способность к питать, выводить отходы y породаПоследний процесс включал в себя появление молекул, способных хранить и передавать генетическую информацию, таких как нуклеиновые кислоты.
С эволюционной точки зрения, эти протобионты предшествовали... первые простые клетки которые появились позже. Считается, что первые живые существа, появившиеся на Земле, были очень похожи на определённых существ. текущие бактерииОдноклеточные, прокариотические, очень простые организмы, питавшиеся органическими соединениями, уже присутствующими в окружающей среде (гетеротрофы), которые со временем диверсифицировались и становились все более сложными, пока не дали начало многоклеточным организмам.
Условия в атмосфере согласно постулатам хемосинтеза
Хемосинтетическая теория утверждает, что примитивная атмосфера Оно должно было обладать характеристиками, которые бы способствовали... восстановительные реакцииПоскольку, если бы существовала атмосфера с окислительными свойствами, подобными нынешней, компоненты «Первородный суп» Они бы быстро деградировали. По этой причине ученые, выдвинувшие различные эволюционные теории, утверждают, что при первоначальных условиях планеты... Значительного количества свободного кислорода быть не могло.поскольку реакции окисления не способствовали бы прогрессивному развитию жизни из нестабильных органических соединений.
Эта восстановительная атмосфера частично объясняется преобладанием таких газов, как водород, метан, аммиак и водяной пар, а также других соединений, например, цианистого водорода. В отсутствие молекулярного кислорода (O₂),2) и озоновый слой, который бы фильтровал излучение, высокочастотную солнечную энергию и электрические разряды, мог бы непосредственно воздействовать на эти газы. разрыв связей и способствуя образованию новых молекул. Это создало химическую среду, в которой реакции органического синтеза Они были термодинамически возможны и могли поддерживаться непрерывно.
Основы хемосинтетической теории
Этап выдвижения ряда теорий, которые порвали с прецедентами... теория самопроизвольного зарождения (Широко распространенная в то время) теория была основана на исследованиях французского ученого Луи Пастера, который в 1864 году в своих экспериментах продемонстрировал, что «Живые существа происходят от живых существ»Эти результаты опровергли идею о том, что организмы могли возникнуть непосредственно из инертной материи в современных условиях, и проложили путь к поиску более сложных и последовательных объяснений происхождения жизни в далеком прошлом, в совершенно иных условиях.
Среди этих новых объяснений есть следующее: хемосинтетическая теорияв котором утверждается, что жизнь зародилась в результате реакции и сочетания основные химические элементы Присутствовал в ранней атмосфере и гидросфере. Основные элементы, составляющие этот постулат, подробно описаны ниже:
Состав Земли на ранних стадиях её развития: Согласно этой теории, вначале планета имела атмосферу, в которой отсутствовал свободный кислород, но которая была богата другими компонентами, главным образом водородом.высокие концентрации), поэтому это была атмосфера уменьшениеЭта особенность способствовала высвобождению атомов водорода из присутствующих химических соединений, благоприятствуя реакциям присоединения и синтеза. Кроме того, атмосфера содержала другие основные химические соединения, такие как... синильная кислота (HCN), метан (СН4), диоксид углерода (CO2), вода (H2O) и другие вещества. Эта смесь послужила основой для добиотических химических реакций, которые привели к образованию первых органических соединений.
- Формирование питательного бульона: также известный, как суп для первенцевсостоял из скопления Питательная жидкость, богатая простыми молекулами. Оно образовалось из всех этих компонентов первобытной атмосферы, растворенных в воде. Этот объем жидкости дал начало первым морям. Как это случилось? Хемосинтетическая теория утверждает, что в результате постепенное охлаждение атмосферыВодяной пар из вулканов и с горячей поверхности планеты конденсировался. Капли воды несли с собой газы и частицы, образуя богатый питательными веществами «суп», который накапливался в углублениях (первобытных океанах и озерах), где оставался в течение длительных периодов времени без риска массового разложения из-за отсутствия кислорода и разлагающихся организмов.
- Появление более сложных конструкций: В этом процессе происходит действие различных факторов. Источники энергиинапример, грозы, высокоэнергетическое солнечное излучение и вулканические извержения. Результатом этих реакций стало образование сложных компонентов, таких как азукарес простые, жирные кислоты, глицерин y аминокислотыСо временем химическая эволюция привела к появлению структур, которые Опарин назвал коацерватыто есть коллоидные агрегаты органических молекул более устойчивые и развитые, чем предшественники современных нуклеиновых кислот и, в целом, живых систем.
Образование коацерватов
Опарин установил, что в процессе эволюции содержащихся в этом химических соединений отвар первенцев, то коацерватыкоторые представляли собой сложные виды, образованные объединение органических молекул например, простые белки, липиды и полисахариды. В ходе определенных процессов фазового деления и разделения эти группы объединялись в более крупные и стабильные структуры, приобретая таким образом своего рода мембрану, которая делала их относительно независимыми от окружающей среды. Таким образом, системы, способные к самосинтез веществ (способность производить часть собственной пищи) и внутренняя организация, которая эволюционировала во все более стабильные и сложные формы, пока не превратилась в настоящие живые структуры. Согласно хемосинтетической теории, эти первобытные организмы стали источником растительного и животного мира на нашей планете.
Изначально озонового слоя, защищающего клетки от прямых солнечных лучей, не существовало. Поэтому считается, что первые структуры могли сформироваться и развиться именно таким образом. многократно уничтожено Благодаря прямому воздействию солнечной энергии. Спустя миллионы лет некоторые из этих первичных клеток смогли эволюционировать в... более сложные органические системыЭто позволило бы им размножаться более эффективно. Впоследствии некоторые из этих форм жизни начали синтезируют свою пищу из солнечной энергии.осуществляя процесс фотосинтеза и выделяя молекулярный кислород в атмосферу. Со временем этот атмосферный кислород способствовал образованию озоновый слойчто радикально изменило условия на поверхности и позволило распространиться более сложным формам жизни.
Процесс образования коацерватов в упрощенном виде описан ниже:
- Всё начинается с формирования организованная и относительно стабильная органическая молекула в водной среде.
- С течением времени образуется вторая комплементарная молекула (а) макромолекула(например, пептид или простой полимер) и становится частью коацервата, стабилизируя молекулярный агрегат.
- Эта макромолекула, или их набор, может достичь отделен от исходного коацерватасохраняя часть своей химической структуры.
- Разделившаяся макромолекула начинает привлекать другие совместимые соединения и связывают их со своей структурой, таким образом воссоздавая новый коацерват со свойствами, аналогичными исходному. Таким образом, процессы рудиментарная репликация и химический отбор.
Эта гипотеза о коацерватах считается фундаментальной основой хемосинтетической теории происхождения жизни на ранних стадиях, до появления протобионтов с РНК или ДНК, способных к репликации посредством механизмов, более схожих с механизмами современных прокариотических бактерий.
Прежде чем перейти к более детальному определению значения термина «коацерваты», необходимо напомнить о его значении. Этимологическое происхождениеЭто слово происходит от латинского языка, а именно от глагола "coacervare", который можно перевести как «накапливать» или «нагромождать»Этот термин точно обозначает накопление или группировку молекул в коллоидных каплях в водной среде.
коацерваты Таким образом, они представляют собой системы, сформированные объединение сложных молекул такие как элементарные белки и аминокислоты, а также другие органические соединения. Эти системы считаются моделями крайне примитивные живые существаПоскольку, по мнению многих биологов и биохимиков, они сыграли ключевую роль в развитии жизни на планете Земля, даже несмотря на то, что не превратились в полноценные клетки в том виде, в каком мы их знаем сегодня.
Другие преклеточные модели: сульфобиос и белковые микросферы.
Со временем различные исследователи предлагали альтернативные или дополнительные модели коацерватам для объяснения ранних стадий происхождения жизни. Хотя эти модели не обязательно отражают реальные структуры, существовавшие на ранней Земле, они показывают, как жизнь эволюционировала из... простые вещества Возможно создание систем с определенным уровень организации.
Альфонсо ЭррераМексиканский учёный, проявлявший большой интерес к проблеме происхождения жизни, описал несколько доклеточных моделей, которые он назвал... «сульфобионты»Они были получены из неорганических соединений, таких как тиоцианат аммония и формалинбез использования уже существующих биологических веществ. Хотя сульфобиоиды вряд ли точно воспроизводят структуры, предшествовавшие первым настоящим клеткам, они представляют собой наглядный пример того, как материя может достигать более высокие уровни организации начиная с более простых уровней. Эррера был первым исследователем, который использовал исключительно... небиологические вещества Разрабатывать экспериментальные модели, связанные с происхождением жизни.
Сидни Фокс Он предложил другую модель доклеточных систем, известную как «белковые микросферы»Эти микросферы образуются в результате ряда химических реакций, в которых Аминокислоты полимеризуются под действием тепла.образуя простые пептидные цепи. Впоследствии, при растворении в воде при подходящих условиях pH и концентрации соли, эти полимеры имеют тенденцию к объединяться в сферические структуры Окружены своего рода мембраной или оболочкой. Хотя микросферы демонстрируют некоторое морфологическое сходство с клетками (они имеют сферическую форму, внутренние и внешние границы и даже химические градиенты), они не считаются полноценными живыми системами. Тем не менее, их образование дает ценную информацию о том, как могли возникнуть первые организмы. организованные системы до клеток.
Экспериментальные исследования «первородного бульона»
Помимо коацерватов, сульфобиосов и микросфер, было разработано множество экспериментов для проверки правдоподобности хемосинтетической теории. Эти исследования были направлены на приблизительное воспроизведение примитивные атмосферные и гидросферные условия и понаблюдать, какие типы органических молекул могут образовываться спонтанно.
Сирил Поннамперума Он проводил эксперименты, имитирующие примитивная гидросфера и атмосфераОснованный на общих принципах классического эксперимента Миллера-Урея, этот ученый поместил колбу, в которой испарялась вода, и все продукты реакции накапливались в восстановительной атмосфере, которая, находясь в непосредственном контакте с ней, образовывала то, что он назвал... «Примитивный суп»В одном из своих экспериментов он представил решение для Цианистый водород (HCN) подвергался воздействию ультрафиолетовых лучей в течение нескольких дней, и было обнаружено, что азотистые основания аденин и гуанинЭто результат подтвердил идею о том, что при правдоподобных условиях на ранней Земле было возможно синтезировать основные компоненты нуклеиновых кислот, присутствующие в живых организмах. ключевые компоненты генетического материала без необходимости предварительного биологического вмешательства.
Эксперимент Стэнли Миллера и Гарольда Юри
Хотя постулаты хемосинтетической теории первоначально были сформулированы Опариным и Холдейном, позже два учёных –Стэнли Миллер y Гарольд Юри– Они воссоздали условия первобытной атмосферы в уменьшенном лабораторном эксперименте, основанном на моделях своего времени. Для этого они подвергли смесь водород, метан y аммиак к кратным поражение электрическим токомс целью моделирования электрических бурь, которые, как считается, часто случались на ранней Земле. Результатом стал синтез нескольких органические кислотывключая аминокислоты.
Основная цель этого теста заключалась в том, чтобы продемонстрировать, что синтез органических соединений Это может быть спонтанный процесс, происходящий из простых молекул, присутствующих в первой атмосфере, при условии наличия достаточных источников энергии. Этот эксперимент стал одним из наиболее влиятельных эмпирических подтверждений хемосинтетической теории.
Для разработки своего эксперимента Миллер и Юри использовали... стеклянный контейнер в замкнутой цепиВ ходе эксперимента определенное количество воды помещали в колбу так, чтобы она была частично заполнена и соединена с другой камерой, содержащей вышеупомянутую газовую смесь. Воду нагревали до кипения, в результате чего образовывался пар, циркулирующий в газовой камере, а система электродов генерировала высоковольтные электрические разряды, которые проходили через смесь, имитируя доисторические бури. Затем пар и газы снова конденсировались и возвращались в колбу с водой, таким образом замыкая цикл. Эксперимент длился приблизительно одна неделя, процесс, после которого образовавшиеся продукты были проанализированы.
Первым признаком того, что химические реакции произошли, было следующее: изменение цвета водыИзначально прозрачное, со временем приобрело розоватый оттенок, а затем окончательно стало коричневым. Это изменение было истолковано как следствие роста. концентрация аминокислот и других органических молекул синтезированы в системе. С помощью методов химического анализа было идентифицировано несколько аминокислот, в том числе глицин y аланинпомимо других важных органических соединений.
Этот эксперимент стал решающим вкладом, подтверждающим теорию о том, что первые формы жизни могли возникнуть из самопроизвольные химические реакции в первобытной атмосфере и океанах, без необходимости прямого сверхъестественного вмешательства, а в результате действия законов химии и физики в подходящей среде.
Ограничения для проверки
Эксперименты, проведенные для проверки хемосинтетической теории, успешно продемонстрировали, что она является правдоподобный То, что происхождение жизни было таким, как его описывали Опарин и Холдейн, подтверждается работами таких исследователей, как Миллер, Юри, Поннамперума, Фокс и другие. Однако нельзя игнорировать тот факт, что весь этот процесс происходил в течение длительного времени. огромные периоды времени, что охватывало постепенную трансформацию химического состава планеты.
Вследствие этого длительного периода времени, охватывающего весь процесс возникновения жизни на Земле, оказывается, Воспроизвести его полностью и точно невозможно. в лабораториях. Ученые могут воссоздать лишь фрагменты первобытного сценария при определенных допущениях и изучить конкретные реакции, которые дают подсказки о том, что могло произойти, но они не могут точно восстановить всю историю.
Препятствием времени стало то, что... почти полная утрата прямых доказательств Отсутствие хорошо сохранившихся горных пород и окаменелостей, относящихся к самым ранним стадиям жизни, ставит перед исследователями сложную задачу. Возможно, никогда не удастся узнать наверняка. с абсолютной точностью Как образовались первые организмы, населявшие планету, и какова была точная последовательность химических и биологических событий.
Несмотря на этот недостаток, теория хемосинтеза позволила нам сделать следующие выводы. последовательное и научно обоснованное изображение о том, каким могло быть зарождение жизни на Земле. Интегрируя данные из геологии, химии, молекулярной биологии и астробиологии, была построена объяснительная модель, в которой простые молекулы постепенно, под влиянием окружающей среды, уступили место сложным системам, способным к самовоспроизведению, метаболизму и эволюции. Эта точка зрения, постоянно пересматриваемая и обогащаемая, остается одним из наиболее убедительных объяснений того, как инертная материя могла превратиться в жизнь на нашей планете.
Библиография:
- Ветто, Милена (без даты). Хемосинтетическая теория: возникновение жизни на Земле:
https://www.lifeder.com/teoria-quimiosintetica/
- Авторское право. (2008-2019) ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОЦИАЛЬНЫХ АКТИВИСТОВ:
https://definicion.de/coacervados/
- Мануэль (Нд) Что такое хемосинтетическая теория? Основы и эксперимент.
https://www.recursosdeautoayuda.com/teoria-quimiosintetica/
- Холдейн-Опарин (н.д.). Хемосинтетическая теория.
https://portalacademico.cch.unam.mx/alumno/biologia2/unidad1/teoriaQuimiosintetica
Благодаря всем этим теоретическим и экспериментальным разработкам, хемосинтетическая теория утвердилась как одно из наиболее полных и подробных научных объяснений происхождения жизни, объединяющее химию примитивной Земли, энергию, доступную в той среде, и присущую материи способность к самоорганизации и эволюции во все более сложные формы.